Lutter contre les changements climatiques en retirant du CO2 de l'atmosphère : Perspectives de l'économie industrielle et des jeux coopératifs

Addressing climate change with carbon dioxide removal : Insights from industrial economics and cooperative games

• Auteur / Autrice : Emma Jagu Schippers
• Direction : Pascal Da Costa, Olivier Massol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingéniérie des systèmes complexes
• Date : Soutenance le 10/11/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire génie industriel (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Yannick Perez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anna Creti-Bettoni, Steven A. Gabriel, Philippe Quirion, Niall Mac Dowell
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anna Creti-Bettoni, Steven A. Gabriel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie des jeux

Captage et stockage du dioxyde de carbone

Environnement

Économie industrielle

Réchauffement de la Terre

Mots clés libres

Emissions négatives

Economie industrielle

Théorie des jeux coopératifs

Carbon dioxide removal

Industrial Economics

Cooperative game theory

Résumé

En plus d'une réduction rapide de nos émissions de CO2, il semble de plus en plus inévitable de retirer du CO2 de l'atmosphère pour maintenir le réchauffement climatique en dessous de 2°C. Un nombre croissant de pays et d'entreprises se fixent des objectifs d'émissions de gaz à effet de serre ''net-zéro'' pour les prochaines décennies, ce qui implique que les émissions résiduelles de CO2 soient compensées par des émissions négatives. Les technologies à émissions négatives (TEN) renforcent les puits de carbone naturels ou extraient chimiquement le CO2 de l'atmosphère pour le stocker durablement, par exemple par le biais du boisement, de la bioénergie avec captage et stockage du carbone (BECSC) ou du captage direct du carbone dans l'air. Bien que certaines méthodes soient déjà bien établies et techniquement réalisables, les TEN se développent lentement. À quelques exceptions près jusqu'à présent, il n'y a pas de projets à grande échelle déployés commercialement pour la production d'émissions négatives. L'identification des obstacles socio-économiques au déploiement des TEN est donc un défi de recherche fondamental. En particulier, les obstacles liés aux interactions stratégiques et aux problèmes de coordination au sein des chaînes de valeur sont souvent négligés, alors qu'ils sont essentiels au déploiement à grande échelle des TEN.Cette thèse examine deux de ces questions de coordination : (i) le déploiement d'infrastructures de transport de CO2, qui sont essentielles pour la mise à l'échelle des processus BECCS, et (ii) la formation de coalitions interrégionales pour réduire les coûts globaux des émissions négatives. Dans les deux cas, la coopération ne peut réussir que si une répartition équitable et mutuellement acceptable des coûts et des bénéfices peut être réalisée. La théorie des jeux coopératifs est donc particulièrement bien adaptée à l'examen de tels problèmes de partage des gains. Dans le cas du déploiement des infrastructures de CO2, nous constatons qu'un partage des coûts d'infrastructure permettant la coopération est possible dans le cas de la Suède, à condition qu'un prix du CO2 suffisamment élevé soit atteint. Toutefois, nous soulignons également que les projets BECCS risquent d'être exclus des projets de construction de pipelines en raison de leur manque actuel d'incitations économiques par rapport aux projets à base de combustibles fossiles. Ce risque d'exclusion a d'importantes implications politiques, car une planification prospective des infrastructures semble nécessaire pour garantir l'inclusion des BECCS dans les infrastructures de CO2. Dans le cas de la coopération interrégionale, nous constatons que des accords multilatéraux peuvent être atteints conformément à l'accord de Paris. La coopération est essentielle pour déployer les TEN de manière abordable, et nos résultats fournissent des principes généraux sur le partage équitable des gains afin de garantir que les accords interrégionaux puissent se concrétiser.

Removing CO2 from the atmosphere in addition to rapid mitigation efforts appear inevitable to keep global warming below 2°C. A growing number of countries and companies are setting “net zero” greenhouse gas emissions objectives in the coming decades, which implies that residual CO2 emissions would be compensated for by Carbon Dioxide Removal (CDR). CDR methods enhance natural carbon sinks or chemically engineer CO2 out of the atmosphere for durable storage through, for example, afforestation, Bioenergy with Carbon Capture and Storage (BECCS), or Direct Air Carbon Capture and Storage (DACCS). Although some methods are already well-established and technically feasible, CDR faces a slow uptake. With few exceptions to date, large-scale projects have not been commercially deployed. The identification of the socio-economic barriers currently hindering the deployment of CDR is thus a fundamental and timely research challenge. In particular, the barriers related to strategic interactions and coordination issues within value chains are often overlooked, despite being critical to unlocking a large-scale deployment of CDR.This thesis examines two specific coordination issues: (i) the deployment of shared CO2 transportation infrastructures, which are essential for the upscaling of BECCS processes, and (ii) the formation of interregional coalitions to reduce the overall costs of CDR. In both cases, cooperation can only succeed if a mutually acceptable and fair distribution of the costs and benefits can be achieved. Cooperative game-theory is thus particularly well-suited to examine such gain-sharing problems. The application of cooperative game-theory to a Swedish case-study of CO2 infrastructure deployment reveals that an incentive-compatible sharing of infrastructure costs is possible, provided that a sufficiently high CO2 price is reached. However, BECCS projects may be locked out from pipeline construction projects because of their current lack of economic incentives compared to fossil-fueled CCS projects. The risk of lock-out has important policy implications, as forward-looking infrastructure planning appears necessary to ensure the inclusion of BECCS in CO2 infrastructure. Finally, this thesis argues that inter-regional cooperation is instrumental in affordably deploying CDR and provides guiding principles on fair gain-sharing to ensure inter-regional agreements can materialize.