Modélisation de scénarios prospectifs pour l’aviation : régionalisation, étude des coûts d’abattement et optimisation technico-économique sous contraintes environnementales

Modelling prospective environmental scenarios for aviation : regionalisation, study of abatement costs and techno-economic optimisation under environmental constraints

• Auteur / Autrice : Antoine Salgas
• Direction : Gilles Lafforgue, Scott Delbecq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences économiques
• Date : Soutenance le 07/01/2025
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA EDyF Energétique et Dynamique des Fluides
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ISAE/DCAS/MEGeP Département de Conception et conduite des véhicules Aéronautiques et Spatiaux
• Jury : Président / Présidente : Lynnette Dray
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Lafforgue, Scott Delbecq, Aude Pommeret, Junzi Sun, Russell McKenna
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lynnette Dray, Aude Pommeret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Économie de l'environnement

Développement durable

Aviation

Décarbonation

Mots clés libres

Données de trafic aérien

Coûts d'abattement

Economie de l'environnement

Décarbonation

Aviation Durable

Source Ouverte

Air traffic data

Abatement costs

Environmental economics

Decarbonisation

Sustainable Aviation

Open-Source

Résumé

L’origine anthropique du changement climatique est désormais sans équivoque, et son atténuation nécessite une réduction drastique des émissions de gaz à effet de serre. Bien que le secteur aérien soit un émetteur relativement modeste, il représente environ 2,6% des émissions de CO2 et est responsable d’autres effets, dits non-CO2, significatifs et globalement réchauffants. Plusieurs leviers de décarbonation sont disponibles pour inverser l’augmentation des émissions, notamment l’amélioration de l’efficacité des avions et des opérations, ainsi que le remplacement du kérosène fossile par des alternatives moins émettrices sur l’ensemble de leur cycle de vie. Les avantages et les inconvénients de ces différentes options, ainsi que leurs interactions, peuvent être explorés par des scénarios de transition. Bien qu’utilisés par plusieurs acteurs institutionnels, industriels ou académiques, ces scénarios manquent souvent d’une méthodologie détaillée et transparente, d’une couverture disciplinaire suffisante pour permettre des choix stratégiques éclairés, ou sont difficilement adaptables à des cas d’étude différents de leur contexte initial. Cette thèse propose trois axes permettant de répondre en partie à chacun de ces défis. Elle s’inscrit dans le cadre du développement continu d’AeroMAPS, un simulateur de scénarios prospectifs spécifique à la décarbonation du transport aérien. Premièrement, comme les opportunités de décarbonation varient d’une région à l’autre (ressources naturelles et financières, niveaux de trafic...), l’adaptabilité des scénarios de transition à ces différentes échelles est un défi clé. Cette thèse contribue à y répondre en présentant une méthode permettant d’estimer les flux de trafic aérien et les émissions de CO2 associées, de manière open-source, reproductible et segmentable. Ces données sont utilisées par AeroMAPS pour générer des scénarios à des échelles réduites, comme celle d’un continent ou d’un pays. Elles sont également utilisées dans cette thèse pour étudier l’utilisation du transport aérien à travers le monde, révélant des inégalités marquées. Ensuite, ce travail enrichit la modélisation des scénarios de transition en adaptant et en intégrant différents modèles de coûts. En particulier, l’évolution des coûts de l’énergie pour le secteur aérien est étudiée en adaptant et en intégrant différents modèles repris de la littérature spécialisée. Ceux-ci permettent d’estimer les prix de vente minimaux des carburants alternatifs bas-carbone étudiés pour l’aviation. L’impact global des différents leviers de décarbonation sur les coûts des compagnies aériennes est modélisé en intégrant un modèle représentant leurs coûts d’exploitation. Ce modèle est aussi utilisé dansces travaux pour étudier l’impact techno-économique d’architectures avions redéfinies dans un contexte environnemental contraint. Enfin, l’efficacité économique des différents leviers de décarbonation est examinée via deux approches. D’une part, celle-ci peut être évaluée grâce à des métriques de coûts d’abattement du carbone combinées à des courbes de coûts marginaux d’abattement sectoriels, que ces travaux ont adaptées et développées pour les scénarios de transition. Cela permet notamment de comparer les coûts de la décarbonation du transport aérien avec différentes valeurs carbone de référence. D’autre part, la mise en place d’une approche permettant de minimiser les coûts des scénarios de transition permet d’aborder la question de manière plus complète, via une approche de coût-efficacité. Une application est proposée pour redéfinir les mandats d’incorporation de carburant alternatifs prévus pour l’aviation européenne par la législation ReFuelEU, sous différentes contraintes de budget carbone et de disponibilité des ressources énergétiques.

The anthropogenic origin of climate change is now unequivocal, and its mitigation requires drastic reductions in greenhouse gas emissions. Although aviation is a relatively moderate emitter, it still accounts for about 2.6% of CO2 emissions and is responsible for significantnon-CO2, globally warming effects. Several decarbonisation levers are available to reverse the upward emissions trend, including further improvements in aircraft and operational efficiency and the replacement of fossil kerosene with low-carbon alternatives. The advantages and disadvantages of these different options, as well as their interactions, can be explored in prospective transition scenarios. Although they are used by several institutional, industrial or academic stakeholders, they often lack either a detailed and transparent methodology, sufficient disciplinary coverage to make informed strategic choices, or limited adaptability to different cases of application. This thesis proposes three areas of improvement to address these issues, as part of the continuing development of AeroMAPS, a prospective scenario simulator specific to air transport decarbonisation. First, as decarbonisation opportunities vary from region to region (natural and financial resources, traffic levels...), the adaptability of transition scenarios to these different scales is a key issue. This thesis contributes to addressing this issue by presenting a method for estimating air traffic and CO2 emission flows in an open source, reproducible and partitionable manner. These data are used in AeroMAPS to generate scenarios at reduced scales, such as a continent or a country. They are also used to study the air transport use around the world, revealing strong inequalities. Then, this work enriches the modelling of transition scenarios by adapting and integrating different cost models into the same framework. In particular, models from the literature for estimating the minimum selling prices of various alternative low-carbon fuels are used to study the evolution of energy costs for the aviation sector. Similarly, operational cost models are implemented to model the overall impact of different decarbonisation levers on airline costs. These models are also used to study the technical and economic impact of aircraft architectures in a constrained environmental context. Lastly, the economic efficiency of the different decarbonisation levers is examined using two approaches. On the one hand, it can be assessed using carbon abatement cost metrics and sectoral marginal abatement cost curves adapted and developed for the context of transition scenarios. In particular, this makes it possible to compare the costs of decarbonising air transport with different reference carbon values. On the other hand, a more comprehensive cost-effectiveness approach is presented through cost optimisation of transition scenarios. An application is proposed to challenge the fuel blending mandates of the ReFuelEU legislation for European aviation for different carbon budget and energy resource constraints.