Le rôle de la décarbonation des vecteurs énergétiques, de l’adoption de technologies, de l’efficacité et de la sobriété dans l’atténuation du changement climatique : enseignements tirés de modèles économiques intégrés avec agents hétérogènes

The role of energy supply decarbonization, end-use technology adoption, efficiency and sufficiency in climate change mitigation : insights from integrated economic models with heterogeneous agents

• Auteur / Autrice : Celia Escribe
• Direction : Philippe Quirion, Emmanuel Gobet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Economie de l'environnement
• Date : Inscription en doctorat le 22/10/2021
• Etablissement(s) : Paris, EHESS
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'École des hautes études en sciences sociales

Mots clés

Mots clés libres

Atténuation du changement climatique

Évaluation intégrée

Modélisation des systèmes énergétiques

Énergies renouvelables

Efficacité énergétique

Sobriété

Réseaux de production

Jeux à champ moyen

Climate change mitigation

Integrated assessment

Energy system modelling

Renewable energies

Energy efficiency

Sufficiency

Production networks

Mean field games

Résumé

Pour lutter contre le changement climatique, il est nécessaire de coordonner différentes options d'atténuation, y compris la décarbonation des vecteurs énergétiques, l'adoption de technologies, l'efficacité et la sobriété. Ces actions d'atténuation peuvent impliquer des interactions complexes et dépendent de décisions prises par des agents hétérogènes. Il est crucial de mieux comprendre le portefeuille d'actions d'atténuation nécessaires pour atteindre des objectifs climatiques ambitieux et de concevoir des instruments de politique publique efficaces. Cette thèse explore comment l'intégration des interactions sectorielles et des agents hétérogènes dans les modèles économiques façonne le rôle de la décarbonation des vecteurs énergétiques, de l'adoption des technologies, de l'efficacité et de la sobriété dans l'atténuation du changement climatique. Dans le premier chapitre, nous explorons la décarbonation des secteurs résidentiel et énergétique à travers une approche innovante qui est à la fois explicite sur le plan technologique et riche du point de vue comportemental. Ce cadre tient compte des interactions clés entre le secteur de l'énergie et le secteur résidentiel, et modélise des prises de décisions réalistes au sein du secteur résidentiel. Nous examinons l'allocation optimale des stratégies d'atténuation, à savoir l'isolation des bâtiments, le passage à des systèmes de chauffage bas carbone et la décarbonation des vecteurs énergétiques. Nous démontrons que les scénarios de subvention second-best entraînent une augmentation des coûts totaux du système de 11 à 16\% par rapport à un scénario first-best avec des subventions parfaitement ciblées. Nos résultats soulignent également le rôle crucial des spécifications des subventions et des hypothèses du côté de l'offre d'énergie dans la détermination des compromis entre les options d'atténuation. Dans le deuxième chapitre, nous nous appuyons sur le même cadre de modélisation pour évaluer les implications de l'interdiction des nouvelles chaudières à gaz, en nous concentrant sur la France comme étude de cas. Nous évaluons l'introduction de cette interdiction face à des incertitudes majeures du côté de l'offre et de la demande. Tout d'abord, nous montrons que l'adoption des pompes à chaleur réalloue les ressources en gaz du chauffage vers la production d'électricité, ce qui constitue une utilisation plus efficace du gaz renouvelable d'un point de vue systémique. L'adoption des pompes à chaleur offre donc une protection contre la pénurie de gaz renouvelable. Nous constatons également que l'adoption généralisée des pompes à chaleur est plus efficacement réalisée par une interdiction des nouvelles chaudières à gaz que par des incitations en situation d'incertitude. Nous démontrons donc qu'une interdiction est cruciale pour atteindre la neutralité carbone tout en réduisant le coût total du système dans plus de 75\% des scénarios. Enfin, nous montrons que la mise en œuvre de l'interdiction, couplée au cadre de subventions existant, atténue les inégalités parmi les ménages propriétaires occupants mais génère des effets néfastes pour ceux vivant dans des logements locatifs privés. Dans le troisième chapitre, nous examinons le rôle de l'hétérogénéité dans la définition des stratégies d'investissement à long terme pour les producteurs d'énergie renouvelable sur des marchés parfaitement concurrentiels, où des agents averses au risque prennent des décisions en présence d'incertitudes. Nous développons un modèle stylisé d'investissements renouvelables sous incertitude et aversion au risque. Nous formulons ce jeu comme un jeu à champ moyen et nous prouvons que toute séquence d'équilibres de Nash pour le jeu à $N$ joueurs converge vers la solution unique du jeu à champ moyen. Nos résultats numériques révèlent que les résultats dérivés du modèle ne peuvent pas être reproduits par des modèles à agent représentatif. Dans le quatrième chapitre, nous explorons les conséquences économiques globales de la sobriété. Nous développons un modèle macroéconomique statique qui intègre les changements de consommation liés à la sobriété dans un cadre de production microéconomique détaillé. Nous dérivons des statiques comparatives pour démêler trois principaux mécanismes de propagation des changements de consommation : un effet de demande directe, un effet prix et un effet substitution. Ces effets dépendent du réseau de production économique sous-jacent et des élasticités de substitution. En utilisant des données entrée-sortie multi-régionales, nous explorons ensuite numériquement les effets de l'adoption d'un régime végétarien et de la réduction de la consommation d'énergie. Nous démontrons la présence d'effets rebond significatifs par rapport aux estimations des modèles entrée-sortie sans aspects comportementaux. En revanche, conceptualiser la sobriété comme une augmentation de la préférence pour le temps de loisir montre des effets de rebond réduits et une fuite de carbone négative.

Addressing climate change requires the coordination of different mitigation options, including energy supply decarbonization, end-use technology adoption, efficiency, and sufficiency. These mitigation actions may involve complex interactions and rely on decision-making by heterogeneous agents. There is a critical need to better understand the required portfolio of mitigation actions to achieve ambitious climate targets and to design effective policy instruments that ensure these decarbonization pathways are attainable. This thesis explores how integrating sectoral interactions and heterogeneous agents into economic models shapes the role of energy supply decarbonization, end-use technology adoption, efficiency and sufficiency in climate change mitigation. In the first chapter, we explore the decarbonization of the residential and energy sectors through an innovative framework that is both technology-explicit and behaviorally-rich. This framework accounts for key interactions between the energy and the residential sector, and models realistic decision-making within the residential sector. We investigate the optimal allocation of mitigation strategies that include insulating homes, switching to low-carbon heating systems and decarbonizing energy carriers. We demonstrate that second-best subsidy scenarios amount to an increase in total system costs of 11 to 16\% compared to first-best scenario with perfectly targeted subsidies. Our findings also emphasize the critical role of subsidy specifications and supply-side assumptions in determining the trade-offs between mitigation options. In the second chapter, we rely on the same modeling framework to assess the implications of enacting a ban on new fossil fuel boilers, focusing on France as a case study. We assess the introduction of the ban across major supply-side and demand-side uncertainties. First, we show that heat pump adoption reallocates gas resources from heating to electricity generation, which is a more efficient use of low-carbon biogas from a whole-system perspective. Heat pump adoption therefore provides a hedge against short supply of low-carbon gas. We additionally find that widespread heat pump adoption is more effectively achieved through a ban on new gas boilers than through incentives under uncertainty. We therefore demonstrate that a ban is critical to meet carbon neutrality, while achieving a reduction in total system cost in over 75\% of scenarios. Finally, we show that the implementation of the ban, when coupled with the existing subsidy framework, mitigates inequalities among owner-occupied households but generate adverse affect for those in privately rented homes. In the third chapter, we examine the role of heterogeneity in shaping long-term investment strategies for renewable producers in perfectly competitive markets, where risk-averse agents make decisions amid significant uncertainty. We develop a stylized model of renewable investments under uncertainty and risk aversion. We formulate this game as a mean field game, and we prove that any sequence of Nash equilibria to the $N$-player game converges to the unique solution of the MFG game. Our numerical findings reveal that the outcomes derived from the model cannot be replicated by simpler models that use a representative agent. In the fourth chapter, we explore the economy-wide consequences of sufficiency. We develop a static macroeconomic model that integrates sufficiency-related consumption changes within a detailed microeconomic production framework. We derive comparative statics to unravel three primary propagation channels for consumption changes: direct demand effect, price effect, and substitution effect. These effects are contingent on the underlying economic production network and the elasticities of substitution. Using multi-regional input-output data, we then explore numerically the effects of adopting a vegetarian diet and reducing energy use. We demonstrate significant rebound effects compared to estimates from input-output models without behavioral aspects. Alternatively, conceptualizing sufficiency as an increase in leisure time preference shows reduced rebound effects and negative carbon leakage.