Sustainability Transitions : Multi-scale modelling of renewable energy technologies diffusion and urban resilience under a network approach in the Swiss Alps and in the South Region of France

Cette thèse de doctorat est un travail de recherche interdisciplinaire à l'intersection de la géographie et des études sur l'innovation sur deux sujets : la diffusion des innovations durables et la résilience urbaine à la transition énergétique. Le travail de recherche a été développé dans les Alpes suisses et sur la Région SUD en France, afin de déployer des analyses comparatives. Ce travail de recherche étudie la réceptivité des régions aux innovations durables, notamment aux technologies des énergies renouvelables (TER) telles que les panneaux photovoltaïques (PF), les capteurs solaires thermiques dans les Alpes suisses et les véhicules électriques et hybrides en Suisse au niveau national. La recherche a également été développée sur la Région SUD où six indicateurs d'innovation ont été analysés : les PF, les capteurs solaires thermiques, l'énergie éolienne, les petites et grandes centrales hydroélectriques, le biogaz et la biomasse. La recherche visait à améliorer notre compréhension de la capacité des régions à intégrer ces innovations et la résilience urbaine à la transition énergétique, à s'adapter au changement, à s'accommoder des perturbations dans le processus de diffusion et à développer de nouvelles voies de diffusion spatiale. Les questions de recherche visaient à étayer notre compréhension des effets de réseau de la diffusion des TER et l’importance de l’espace dans ces processus.Les hypothèses sous-jacentes étaient que les TER se diffusent à travers les échelles d'une manière non aléatoire et décrivent un mécanisme d'attachement préférentiel. Cette hypothèse implique que les systèmes urbains d'énergie renouvelable sont fractals, ce qui est la signature des systèmes auto-organisés. Par définition les systèmes résilients sont auto-organisés, dans ce contexte donc, les systèmes d'innovation sont analysés dans le cadre de la résilience urbaine à la transition énergétique. Ainsi, une autre hypothèse propose que les lieux les plus innovants sont plus résilients que les lieux moins innovants. Au niveau méthodologique, dans la région suisse un modèle appelé "Attachement Préférentiel Spatial" (SPA) a été créé sur la base de la théorie de l'interaction spatiale à l'aide d’un system multi-agents et des approches de dynamique des systèmes. L'intégration d’un modèle gravitaire avec des informations spatiales du TER a permis de construire un réseau spatial, qui a simulé le système énergétique urbain de la région. Les résultats ont permis d'accepter les hypothèses dans lesquelles un mécanisme préférentiel dans le processus de diffusion a lieu, car la distribution spatiale de la diffusion suit des lois de puissance. Le modèle a également été appliqué en Suisse et sur la Région SUD, obtenant des résultats similaires.Ces résultats sont conformes à la théorie du path development proposée par les géographes économiques, selon laquelle l'héritage d'un lieu a au moins un impact partiel sur l'intensité future des processus de diffusion. Ces résultats sont importants dans le paradigme de la durabilité car ils constituent un défi pour le cadre d'innovation actuel, appelé "Transformative Change", qui vise à établir une vision plus juste sur des questions socio-économiques et environnementales. Les mécanismes d'attachement préférentiel dans la diffusion des TER impliquent qu'il existe des hubs d'innovation régis par des lois d'échelle urbaine et qui désavantagent d'autres lieux. Le modèle SPA a également été utilisé pour simuler la résilience urbaine à la transition énergétique dans le canton suisse du Valais. Le réseau énergétique urbain a été " attaqué " en supprimant les hubs de la structure. Les simulations ont alors montré que le système pouvait se réorganiser au niveau global, avec de forts signes de résilience, mais pas au niveau local. Les systèmes résilients sont auto-organisés, mais cela n'implique pas que la résilience elle-même soit fractale, car des différences ont été constatées dans une perspective spatiale multi-échelle.This doctoral dissertation is an interdisciplinary research work at the intersection of geography and innovation studies through the prism of two subjects: diffusion of sustainable innovations and urban resilience to energy transition. The research work was developed in the Swiss Alps and in the South Region of France in order to deploy comparative analyses. This Ph.D dissertation investigates the regions receptivity to sustainable innovations, specifically renewable energy technologies (RET) such as solar photovoltaics, solar thermal collectors in the Swiss Alps and electric and hybrid vehicles in Switzerland at the national level. As well as the research was developed in the South Region of France were six innovation indicators were analysed: solar photovoltaics, solar thermal collectors, wind power, small and big hydroelectric power plants, biogas and biomass. The research aimed at improving our understanding on regions’ ability to integrate these innovations into their dynamics and the embedded urban resilience to energy transition, to adapt to change, accommodating disruptions in the diffusion process and develop new spatial diffusion paths. The research questions aimed at underpinning our understanding on the network effects of the RET diffusion and on the potential insights that spatial information might provide regarding such diffusion processes. The underlying assumptions were that RET diffuses across scales in a non-random fashion and describe a preferential attachment mechanism. The implication of the latter assumption is that the urban renewable energy systems exhibit fractality, which is the signature of self-organized systems. By definition, resilient systems are self-organized, so in this context, the innovation systems are analyzed in the framework of urban resilience to the energy transition. Thus, a further assumption is made and proposes that more innovative places and locations are more resilient than less innovative locations. The methodological approaches to address these research questions and verify the assumptions are described as follows. In the Swiss region a model called ‘Spatial Preferential Attachment’ (SPA) was created based on spatial interaction theory, relying on a gravity model that was built through agent-based modelling and systems dynamics approaches. The integration of the gravity model with the spatial information of the RET allowed to build a spatial network, which simulated the urban energy system of the region. The results allowed to accept the assumptions in which a preferential mechanism in the diffusion process take place, since the spatial diffusion distribution follow power laws. The model was also applied in Switzerland and in the South Region of France, obtaining similar results, following multi-level and hierarchical mechanisms. These results are in line with the path development theory proposed by economic geographers, where the specific-place legacy has at least a partial impact in the future intensity of diffusion processesThese results are important within the sustainability paradigm from a research perspective and challenging for the current innovation framework, the so-called Transformative Change, which aims at establishing a fairer view on socio-economic and environmental issues. The preferential attachment mechanisms in RET diffusion imply that there are hubs of innovation ruled by urban scaling laws that put in disadvantage other locations. The SPA was also used to simulate the urban resilience to energy transition in the Swiss canton of Valais. The energy urban network was ‘attacked’ by removing the hubs of the structure and the simulations showed that the system could reorganized itself at global level, showing strong sings of resilience however not at local level. Resilient systems are self-organized however it does not imply that resilient itself is fractal as differences were found from a multiscale spatial perspective