Long-term energy prospective modeling for South America - Application to international climate negotiations

L'Amérique Centrale et l'Amérique du Sud couvrent ensemble plus de 12% de la surface émergée du globe, et abritent plus de 450 millions d'habitants. Cette région se remarque sur la scène énergétique mondiale par la contribution exceptionnelle des énergies renouvelables dans sa matrice énergétique. Préserver cette configuration vertueuse est un réel défi : alors que les énergies « conventionnelles » (hydroélectricité, biomasse) sont confrontées à des problèmes de soutenabilité, les « nouvelles » options de production (éolien, solaire, géothermie) ne parviennent pas à s'affranchir du soutien des pouvoirs publics. Pourtant, les faibles réserves fossiles du continent et son extraordinaire potentiel de production renouvelable en font un candidat idéal pour mener la transition vers une matrice énergétique respectueuse de l'environnement. Une autre thématique d'intérêt régional est la contribution du secteur énergétique à une croissance économique socialement bénéfique et respectueuse de l'environnement, dans un continent en développement rapide. Le changement climatique, enfin, propose diverses problématiques continentales. L'Amérique latine se situe au-dessus de la moyenne mondiale pour ses émissions par habitant ; dans le même temps, plusieurs études considèrent que la région sera parmi les plus touchées par les effets du changement climatique. La matrice énergétique sud-américaine est sensible à ces effets, à la fois sur l'amont de la chaîne (hydroélectricité, biomasse) et sur l'aval (augmentations de demande pour e.g. l'agriculture et l'air conditionné). Malgré ces problématiques et points forts partagés à l'échelle régionale, l'Amérique latine reste un continent hétérogène et fragmenté. Sa configuration physique limite l'intégration régionale, et l'héritage de deux siècles de guerre complique les relations politiques à l'échelon national. L'évolution historique de la région a entraîné de fortes disparités entre les secteurs énergétiques nationaux, et plusieurs tentatives de coopération sur des infrastructures transnationales se sont récemment soldées par de coûteux échecs.L'objectif de cette thèse est le développement d'un modèle mathématique adapté à l'étude des problématiques énergétiques régionales de long terme pour l'Amérique du Sud. Ce modèle, TIMES-América y el Caribe, nous permet d'étudier l'impact des politiques climatiques nationales pour le secteur énergétique régional, dans le contexte de la préparation de la conférence mondiale du climat de Paris, en décembre 2015.Ce document est divisé en cinq chapitres. Le chapitre 1 propose un panorama historique de l'Amérique latine. Ce panorama est complété par une description de l'évolution historique du secteur énergétique sud-américain et de ses spécificités et défis actuels. Le chapitre 2 présente les concepts de prospective et de modélisation par scénarios, ainsi qu'une revue historique et un état de l'art de la prospective énergétique en Amérique du Sud. Le chapitre 3 détaille les principales caractéristiques du modèle : sa désagrégation géographique en dix régions, les règles de modélisation, la structure et les principales hypothèses utilisées pour l'offre énergétique et la demande finale (drivers macroéconomiques, potentiels et coûts d'extraction). Le chapitre 4 présente la problématique du changement climatique et ce qu'elle implique pour l'Amérique du Sud ; il décrit aussi les négociations climatiques internationales, depuis leurs débuts en 1972 jusqu'aux propositions actuellement débattues. Enfin, le chapitre 5 propose une application directe du modèle présenté plus haut, à travers l'analyse des impacts de ces contributions pour le secteur énergétique sud-américain, et inversement la contribution potentielle de ce secteur au vu des divers engagements nationaux.Together, Central and South America and the Caribbean represent more than 450 million people and 12% of the Earth's total emerged land. The region stands out in the global energy landscape for the outstanding contribution of renewable sources to its energy production. Maintaining this level of renewable energy in the future might prove a challenging task, as ‘historical' energy sources (hydropower, biomass) run into sustainability issues and ‘new' options (wind, solar, geothermal energy) still depend on public support schemes. However, South America's small fossil resource endowment and excellent renewable potential make it the ideal candidate for pioneering a renewable energy transition. The energy sector's contribution in fueling economic growth in a socially and environmentally sustainable way is also an issue that is particularly significant in the developing context on the continent. Climate change is a region-scale concern. The continent's emissions per capita are above the global average, and the region is also likely to be one of the most impacted by climate change. South America's energy sector is vulnerable both on the supply side (hydropower and biomass resources) and the demand side (increased demand for e.g. agriculture and air conditioning). Despite shared regional strengths and concerns, however, South America appears as a highly heterogeneous and fragmented continent. The region's physical layout is a stumbling block for regional integration. Two centuries of regional wars complicate political cooperation at national level, and the historical evolution has created strong disparities between national energy sectors. Various attempts to cooperate on transnational infrastructure have ended up as costly failures in past years.The aim of this PhD work, half of which was conducted in France and half in Chile, was to develop a mathematical model adapted to the study of long-term energy issues, at a regional scale, for South America. This model, TIMES-América Latina y el Caribe, was applied to studying the impact of national climate policies on regional energy, as the world prepares for a global climate agreement at the Paris conference in December 2015.This document is divided in five chapters. Chapter 1 offers a historical overview of South America's history with a focus on the energy sector, followed by a description of the specificities and challenges of South American energy today. Chapter 2 presents the concepts of prospective and scenario modeling, along with a historical overview and a state-of-the-art of energy prospective in South America. Chapter 3 details the model's main features: its ten-region disaggregation, its modeling rules and the structure and main assumptions for supply and demand, including macroeconomic drivers, resource potentials, and extraction costs. Chapter 4 presents the climate change issue and its implications for South America; it also describes the international climate negotiations, from their beginning in 1972 to the current tentative contributions. Finally, chapter 5 analyses the impacts of these pledges on South America's energy sector, and the contribution of the latter to fulfilling these pledges, as a direct application of the model developed in this thesis