Ce travail de thèse porte sur les conditions économiques nécessaires à l’émergence d’une filière bioénergie par l’intermédiaire de la biomasse torréfiée. Cette recherche a été menée suivant deux approches complémentaires, l’une normative, portant sur l’étude du comportement des acteurs de cette filière, et l’autre positive, portant sur les conditions d’existence du marché de la biomasse torréfiée. Nous étudions les valeurs que l’offreur et le demandeur associent à la décision économique d’investissement dans de nouvelles technologies énergétiques et d’achat de la biomasse. Nous avons mesuré la demande des secteurs énergétiques afin de la confronter à l’offre et en déduire un prix d’échange en fonction de la flexibilité des industriels dans leur procédé de production et des contraintes environnementales auxquelles ils sont soumis. La thèse est composée de trois articles (chapitres 2, 3 et 4 en anglais) et de deux études confidentielles (chapitres 1 et 5 en français). Le chapitre 1 présente une enquête de terrain qualitative menée au niveau national, identifiant les demandeurs potentiels et déterminant les facteurs technico-économiques qui peuvent l’influencer. Le chapitre 2 étudie la décision d’investissement et de production d’un agent averse à l’ambiguïté faisant face à des incertitudes de marché telles que le nombre d’acteurs et l’effet de la concurrence des autres énergies fossiles sur le prix de vente de sa biomasse. Nous observons des effets asymétriques des deux incertitudes sur les montants optimaux de production et nous montrons théoriquement puis numériquement que l’aversion à l’ambiguïté tend à diminuer les niveaux optimaux d’investissement et de production. Le chapitre 3 présente le modèle que nous avons développé pour estimer la pénétration de la biomasse prétraitée dans le marché de la production d’électricité en fonction des politiques climatique et énergétiques modélisées. Nous en déduisons la fonction de demande en biomasse torréfiée. Dans le chapitre 4, nous développons un modèle en équilibre partiel d’offre provenant du secteur torréfaction et de demande en biomasse issue des secteurs électrique et raffinage pour estimer un prix d’équilibre d’échange de la biomasse torréfiée en fonction du prix du CO2 `a long terme. Enfin, cette approche positive est complétée par une étude logistique présentée dans le chapitre 5 afin de déterminer la stratégie d’approvisionnement et la taille optimale des unités de prétraitement implantées dans un bassin de production de biomasse. Le travail de recherche réalisé permet d’élaborer des recommandations destinées aux investisseurs et aux institutions en charge du développement des bioénergies. / This thesis focuses on the economic conditions required for the emergence of a bioenergy supply chain based on torrefied biomass. This research was conducted by using two complementary approaches: the normative one deals with the actors’ behavior in this sector and the positive one deals with the conditions necessary to trigger the torrefied biomass market in France. We study the supplier and demander behaviors regarding the investment in new energy technologies and the purchase of biomass. Then, the biomass demand per sector is modeled in order to compare it to the offer. We deduce an equilibrium selling price which depends on the flexibility of the industry in their production process and the environmental constraints under which they operate. This Ph.D. dissertation is composed of 3 articles (chapters 2, 3 and 4 in English) and 2 confidential studies (chapters 1 and 5 in French). Chapter 1 presents a survey driven at national level, to measure the potential demand and to determine the technical and economic factors influencing it. Chapter 2 analyzes the production and investment decisions of an ambiguity averse agent facing market uncertainties such as demand uncertainty (in terms of number of buyers) and competitive effect uncertainty (in terms of other energy resource). We apply our model on the bioenergy industries. We show that the investment decision of an agent depends on the effects of both the capital investment and the level of production on the cost and the uncertainty the agent is confronted with. Moreover, we find that ambiguity aversion tends to decrease the agent’s optimal levels of production and investment. Chapter 3 studies the penetration of green electricity production from biomass and its impacts on the future electricity generation mix for France incorporating different scenarios of emission allowance prices. The model is applied to the French power market under consideration of the neighboring countries and we determine the torrefied biomass demand function from our model. In chapter 4, we develop a partial equilibrium model of torrefied biomass supply and demand coming from the power sector and the refinery sector on the long term under CO2 price constraints. Our main results are the equilibrium selling prices of torrefied biomass and the break-even CO2 price which triggers the demand. A last chapter aims at studying the strategy of supply and the optimal size of pre-treatment units located in a pool of biomass production. The research carried out allows to propose recommendations for investors and institutions in charge of the development of bioenergies.

This thesis investigates the market rules of the European carbon market (EU ETS) during 2005-2007. We provide theoretical and empirical analyses of banking and borrowing provisions, price drivers and risk hedging strategies attached to tradable quotas, which were introduced to cover the CO2 emissions of around 10,600 installations in Europe.In Chapter 1, we outline the economic and environmental effects of banking and borrowing on tradable permits markets. More specifically, we examine the banking and borrowing provisions adopted in the EU ETS, and the effects of banning banking between Phases I and II on CO2 price changes. We show statistically that the low levels of CO2 prices recorded until the end of Phase I may be explained by the restriction on the inter-period tranfer of allowances, besides the main explanations that were identified by market observers.In Chapter 2, we identify the carbon price drivers since the launch of the EU ETS on January 1, 2005. We emphasize the central role played by the 2005 yearly compliance event imposed by the European Commission in revealing the net short/long position at the installation level in terms of allowances allocated with respect to verified emissions. The main result of this study features that price drivers of CO2 allowances linked to energy market prices and unanticipated weather events vary around institutional events. Moreover, we show the influence of the variation of industrial production in three sectors covered by the EU ETS on CO2 price changes by applying a disentangling analysis, that has also been extended at the country-level.In Chapter 3, we focus on the risk hedging strategies linked to holding CO2 allowances. By using a methodology applied on stock markets, we recover the changes in investors' average risk aversion. This study shows that, during the time period considered, risk aversion has been higher on the carbon market than on the stock market, and that the risk is linked to an increasing price structure after the 2006 compliance event. With reference to Chapter 1, we finally evaluate how banking may be used as a risk management tool in order to cope with political uncertainty on a tradable permits market. We detail an optimal risk-sharing rule, and discuss the possibility of pooling the risk linked to allowance trading between agents.Overall, this thesis highlights the inefficiencies following the creation of the European carbon market that prevented the emergence of a price signal leading to effective emissions reductions by industrials. However, in a changing institutional environment, these inefficiencies do not seem to have been transfered to the period 2008-2012.

La problématique de cette thèse porte sur les conditions technico-économiques et sociales d’émergence des techniques de Captage, transport et Stockage géologique du Carbone (CSC) dans le secteur électrique. Il existe effectivement un hiatus entre le niveau actuel de déploiement du CSC et son rôle dans les scénarii climatique de long terme. Les travaux s’appuient sur deux approches complémentaires ; l’approche positive met en exergue les déterminants économiques et sociaux nécessaires à l’émergence du CSC et répond à deux interrogations : pour quel prix du CO2 devient-il intéressant d’investir dans des centrales CSC ? Quand l’usage du CSC est-il socialement optimal ? Sur le plan normatif, diverses recommandations relatives au déploiement optimal du CSC sont apportées. Elles concernent notamment le portefeuille optimal d’instruments de soutien au CSC. Cette thèse s’articule en quatre chapitres. Dans l’optique de minimiser les coûts de la transition énergétique, les deux premiers chapitres embrassent la vision investisseur et mettent en évidence les déterminants économiques indispensables au déploiement commercial du CSC. Les deux derniers chapitres adoptent la vision de la puissance publique. Bien que compétitive, une technologie peut ne pas se développer du fait de problèmes d’acceptabilité sociale ; c’est l’objet du modèle du Chapitre 3. Le Chapitre 4 élargit le propos et intègre la problématique de décision dans le CSC en univers ambigu, en s’appuyant sur des simulations numériques. / This thesis analyses the techno-economic and social conditions required for the emergence of Carbon Capture and Storage (CCS) techniques in the power sector, in compliance with CCS role in long-term mitigation scenarios. The research combines two complementary approaches: the positive one deals with the economic and social determinants necessary to trigger CCS investments, and addresses two significant issues: (1) for which CO2 price is it worth investing in CCS plants, and (2) when is CCS use socially optimal? The normative approach gives recommendations on how CCS can best be deployed as part of a least cost approach to climate change mitigation. Notably, recommendations are provided about the optimal combination of CCS policy supports that should be implemented. This Ph.D. dissertation is composed of four chapters. The first two chapters embrace the investor’s vision and highlight the determinants necessary for CCS commercial emergence. The last two chapters embrace the public decision-makers’ vision. Based on the fact that, although cost-effective, one technology may not be deployed because of social acceptance issues, Chapter 3 deals with CCS public acceptance and optimal pollution. Chapter 4 goes further and addresses the optimal CCS investment under ambiguity by providing a decision criterion with simulations on the European Union’s 2050 Energy Roadmap.

Quel cadre économique et réglementaire à long terme (2030-50) pour soutenir la transition énergétique des carburants fossiles vers l’hydrogène dans le secteur européen des transports ? Cette recherche combine les approches théoriques et empiriques pour répondre aux trois questions suivantes :1. Comment concevoir des politiques de soutien adaptées pour pallier les imperfections de marché lors du déploiement de technologies de mobilité hydrogène ?2. Comment modéliser les coûts d’abattement en tenant compte des effets d’apprentissage (LBD) ?3. Comment définir la trajectoire optimale de déploiement quand le LBD et la convexité des coûts d’investissement sont présents ?L’article ‘Transition vers un Système de Transport de Passagers à Hydrogène : Analyse Politique Comparée’ passe au crible des politique de soutien destinées à résoudre les imperfections de marché dans le déploiement de la mobilité hydrogène. L’article effectue une comparaison internationale entre les instruments en faveur du déploiement des véhicules. Les indicateurs ex post d’efficacité des politiques sont développés et calculés pour classifier les pays selon leur volontarisme dans la promotion des véhicules à piles à combustible (FCEV). Aujourd’hui le Japon et le Danemark apparaissent comme les meilleurs fournisseurs d’un environnement favorable au déploiement de la mobilité hydrogène. Les autorités locales introduisent de solides instruments prix (tels que des subventions et des exemptions fiscales) pour rendre le FCEV plus attractif par rapport à son analogue à essence et coordonnent le déploiement de l’infrastructure hydrogène sur le territoire.L’article ‘Modélisation des Coûts d’Abattement en Présence d’Effets d’Apprentissage : le Cas du Véhicule à Hydrogène’ présente un modèle de transition du secteur des transports d’un état polluant à un état propre. Un modèle d’équilibre partiel est développé pour un secteur automobile de taille constante. L’optimum social est atteint en minimisant le coût de la transition du parc automobile au cours du temps. Ce coût comprend les coûts privés de production des véhicules décarbonés (sujets aux effets d’apprentissage) ainsi que le coût social des émissions de CO2 qui suit une tendance haussière exogène. L’article caractérise la trajectoire optimale qui est un remplacement progressif des véhicules polluants par les décarbonés. Au cours de la transition, l’égalisation des coûts marginaux tient compte de l’impact des actions présentes sur les coûts futurs via l’effet d’apprentissage. L’article décrit aussi une trajectoire sous-optimale où la trajectoire de déploiement serait une donnée exogène : quelle serait alors la date optimale de début de la transition ? L’article présente une évaluation quantitative de la substitution des FCEV aux véhicules à combustion interne (ICE). L’analyse conclut que le FCEV deviendra une option économiquement viable pour décarboner une partie du parc automobile allemand à l’horizon 2050 dès que le prix du carbone atteindra 50-60€/t.L’article ‘Le rôle des Effets d’Apprentissage dans l’Adoption d’une Technologie Verte : le Cas LBD Linéaire’ étudie les caractéristiques d’une trajectoire optimale de déploiement des véhicules décarbonés dans le cas où les effets d’apprentissage et la convexité sont présents dans la fonction de coût. Le modèle d’équilibre partiel de Creti et. al (2015) est utilisé comme point de départ. Dans le cas LBD linéaire la trajectoire de déploiement optimale est obtenue analytiquement. Un apprentissage fort induit une transition antérieure vers les véhicules verts dans le cas d’une convexité faible et une transition ultérieure dans le cas d’une convexité forte. Ce résultat permet de revisiter le projet H2 Mobility en Allemagne. Un effet d’apprentissage plus fort et une accélération du déploiement aboutissent à une transition moins coûteuse et une période de cash flow négatif plus courte. / What economic and policy framework would foster a transition in the European transport sector from fossil fuels to hydrogen in the long term (2030-50)? This research combines empirical and theoretical approaches and aims to answers the following questions:1. How to design appropriate policy instruments to solve inefficiencies in hydrogen mobility deployment?2. How to define abatement cost and an optimal launching date in the presence of learning-by-doing (LBD)?3. How to define an optimal deployment trajectory in presence of LBD and convexity in investment costs?The paper ‘Transition Towards a Hydrogen-Based Passenger Car Transport: Comparative Policy Analysis‘ draws a cross-country comparison between policy instruments that support the deployment of Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV). The existing policy framework in favour of FCEV and hydrogen infrastructure deployment is analysed. A set of complementary ex-post policy efficiency indicators is developed and calculated to rank the most active countries, supporters of FCEV. Denmark and Japan emerge as the best providers of favourable conditions for the hydrogen mobility deployment: local authorities put in place price-based incentives (such as subsidies and tax exemptions) making FCEV more financially attractive than its gasoline substitute, and coordinate ramping-up of their hydrogen infrastructure nationally.The paper ’Defining the Abatement Cost in Presence of Learning-by-doing: Application to the Fuel Cell Electric Vehicle’ models the transition of the transport sector from a pollutant state to a clean one. A partial equilibrium model is developed for a car sector of a constant size. In this model the objective of the social planner is to minimize the cost of phasing out a stock of polluting cars from the market over time. The cost includes the private cost of green cars production, which are subject to LBD, and the social cost of carbon, which has an exogenous upward trend. During the transition, the equalization of marginal costs takes into account the fact that the current action has an impact on future costs through LBD. This paper also describes a suboptimal plan: if the deployment trajectory is exogenously given, what is the optimal starting date for the transition? The paper provides a quantitative assessment of the FCEV case for the substitution of the mature Internal Combustion Engine (ICE) vehicles. The analysis concludes that the CO2 price should reach 53€/t for the program to start and for FCEV to be a socially beneficial alternative for decarbonizing part of the projected German car park in the 2050 time frame.The impact of LBD on the timing and costs of emission abatement is, however, ambiguous. On the one hand, LBD supposes delaying abatement activities because of cost reduction of future abatement due to LBD. On the other hand, LBD supposes starting the transition earlier because of cost reduction due to added value to cumulative experience. The paper ‘The Role of Learning-by-Doing in the Adoption of a Green Technology: the Case of Linear LBD’ studies the optimal characteristics of a transition towards green vehicles in the transport sector when both LBD and convexity are present in the cost function. The partial equilibrium model of (Creti et al., 2015) is used as a starting point. For the case of linear LBD the deployment trajectory can be analytically obtained. This allows to conclude that a high learning induces an earlier switch towards green cars in the case of low convexity, and a later switch in the case of high convexity. This insight is used to revisit the hydrogen mobility project in Germany. A high learning lowers the corresponding deployment cost and reduces deepness and duration of the, investment ‘death valley’ (period of negative project’s cash flow). An acceleration of exogenously defined scenario for FCEV deployment, based on the industry forecast, would be beneficial to reduce the associated transition cost.