'Faire le pont'entre les besoins humains et la réduction des émissions de CO2 : La dynamique des infrastructures à l’interaction des enjeux de climat et de développement

'Bridging’ human needs and carbon dioxide emissions reduction : the infrastructure dynamics at the core of the climate-development interplay

• Auteur / Autrice : Vivien Fisch-Romito
• Direction : Céline Guivarch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences économiques
• Date : Soutenance le 05/02/2021
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ville, Transports et Territoires (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre international de recherche sur l'environnement et le développement
• Jury : Président / Présidente : Julia Karen Steinberger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Guivarch, Guy Meunier, Evelina Trutnevyte, Henri Waisman
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guy Meunier, Evelina Trutnevyte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Construction durable

Investissements

Infrastructures de transport

Dioxyde de carbone

Mots clés libres

Verrouillage carbone

Besoins essentiels

Infrastructures

Investissements

Emissions incorporées

Basic Needs

Investments

Carbon lock-In

Infrastructures

Embodied emissions

Résumé

Les enjeux de développement humain et de réduction du changement climatique sont liés et les infrastructures- bâtiments et ouvrages de génie civil - sont essentielles pour atteindre conjointement ces objectifs. Elles fournissent des services répondant aux besoins sociétaux mais cette fourniture est aujourd’hui insuffisante et intensive en émissions de CO2 au niveau de leur usage et de leur construction. Toutefois, leur dynamique est soumise à des contraintes techniques, économiques et institutionnelles. Dans cette thèse, j’étudie la manière dont l’évolution des stocks globaux d’infrastructures peut permettre de concilier besoins de développement et réduction des émissions de CO2. Je me concentre sur trois points de tension : (i) le verrouillage carbone - l’inertie sur la réduction des émissions futures - induit par le développement à court terme, (ii) le financement limité pour l’investissement et (iii) l’espace carbone pour un développement suffisant des infrastructures de base. Cette thèse apporte une contribution en mettant en lumière certaines conditions à assurer pour que les infrastructures ne limitent pas la faisabilité de la conciliation climat-développement.Premièrement, j’effectue une revue systématique de la littérature sur le verrouillage carbone induit par les infrastructures. J’utilise une approche d’apprentissage machine supervisé pour sélectionner les articles pertinents. Je synthétise selon les secteurs et zones géographiques les quantifications existantes de verrouillage carbone, les indicateurs utilisés pour le mesurer et les énoncés mentionnant des implications politiques pour en sortir. Je montre que les centrales électriques au charbon contribuent fortement au verrouillage carbone global et sont exposées au risque d’actifs échoués du fait du retrait anticipé. […] Il est nécessaire d’assurer la légitimité et la stabilité sur le long terme de ces dernières ainsi que la coordination entre les secteurs d’infrastructures. La tarification du carbone ne doit pas être le seul instrument utilisé et doit être complétée par la réglementation et un soutien financier au déploiement du capital bas-carbone.Ensuite, je quantifie les besoins d’investissements en infrastructures de transport au regard de différents niveaux d’ambitions climatiques. Je construis des scénarios socio-économiques avec un modèle d’évaluation intégré qui représente explicitement le secteur des transports. Je développe un module pour quantifier les besoins d’investissement en cohérence avec les scénarios de mobilité. J’applique une analyse de sensibilité globale pour identifier les déterminants des besoins d’investissements. Je montre que les besoins d’investissements se réduisent avec l’augmentation de l’ambition climatique mais représentent des montants importants par rapport aux niveaux historiques et aux besoins dans les autres secteurs. Les niveaux d’utilisation du réseau ferré et les coûts de construction des routes sont des facteurs déterminants et pourraient être des leviers à activer pour favoriser les trajectoires bas-carbone à cout réduit.Finalement, j’évalue si un niveau élevé d’accès à 5 services essentiels - électricité, eau, habitat, assainissement et transport - peut être fourni à l’échelle mondiale sans compromettre les objectifs d’atténuation du climat. Je quantifie dans chaque pays les besoins en ciment et acier sur la base des tendances historiques. J’estime ensuite les émissions de CO2 associées à la fabrication de ces matériaux en intégrant les facteurs d’influence tels que les technologies de production, la structure du commerce international et les mesures d’atténuation dans ces industries. Je montre qu’offrir un accès élevé à l’assainissement et aux transports peut entrer en conflit avec les trajectoires bas–carbone envisagées. Ces résultats suggèrent la nécessité d’une limitation de l’usage de ciment et d’acier et d’efforts supplémentaires de réduction des émissions dans les pays développés.

Human development and climate change mitigation are related, and infrastructure - buildings and engineered constructions - is essential to jointly achieve these objectives. Infrastructure provide services that meet societal needs, but this provision is currently insufficient and CO2 emissions intensive in the use and construction. However, infrastructure dynamics is subject to technical, economic and institutional constraints. In this thesis, I investigate how the evolution of global infrastructure stocks can reconcile development needs with CO2 emissions reduction. I focus on three points of tension: (i) carbon lock-in - the inertia on future emissions reduction - induced by short-term development, (ii) limited financing for investment, and (iii) the carbon space for sufficient basic infrastructure development. This thesis makes a contribution by highlighting some of the conditions that need to be met if infrastructure is not to limit the feasibility of climate-development reconciliation.In the first chapter, I systematic review the literature on infrastructure-induced carbon lock-in. I use a supervised machine learning approach to select relevant articles. I synthesize according to sectors and geographical areas the existing quantifications of carbon lock-in, the indicators used to measure it and qualitative statements mentioning policy implications to get out of it. I show that coal-fired power plants contribute significantly to global carbon lock-in and are exposed to the risk of stranded assets due to early retirement. The sectoral distribution and amount of stranded assets differ between countries, with significant amounts for buildings sector in developed countries. Stranded assets are reduced if climate policies are implemented quickly. There is a need to ensure the legitimacy and long-term stability of these policies and coordination between infrastructure sectors. Carbon pricing should not be the only instrument used and should be complemented by regulation and financial support for the deployment of low-carbon capital.In the second chapter, I quantify the investment needs in transportation infrastructures in relation to different levels of climate ambitions. I build socio-economic scenarios with an integrated assessment model that explicitly represents the transport sector. I develop a module to quantify investment needs in line with future mobility trends. I apply a global sensitivity analysis to identify the determinants of investment needs. I show that investment needs decrease with increasing climate ambition but represent significant amounts compared to historical levels and needs in other sectors. Rail utilization level and road building costs are determining factors and could be levers to be activated to promote low-carbon pathways with reduced costs.In the third chapter, I assess whether a high level of access to five essential services - electricity, water, shelter, sanitation and transport - can be provided globally without compromising climate mitigation goals. I quantify in each country the needs for cement and steel based on historical trends. I then estimate the CO2 emissions associated with the manufacture of these materials by taking into account influencing factors such as production technologies, international trade patterns and mitigation actions in these industries. I show that providing high access to sanitation and transport can conflict with the existing low-carbon trajectories. These results suggest the need to limit the use of cement and steel and for further efforts to reduce emissions in developed countries.