Suite aux réformes des marchés électriques, la question du market design, c’est-à-dire l’étude des nouveaux marchés destinés à remplacer l’ancien monopole, est devenue centrale dans la littérature économique. Toutefois, les caractéristiques techniques de l’électricité rendent cette tâche complexe et l’intervention des pouvoirs publics est souvent nécessaire pour établir les règles du jeu efficaces que les acteurs de marché devront suivre. Cela explique pourquoi le market design demeure un sujet d’actualité. Cette thèse contribue aux discussions actuelles en étudiant plusieurs architectures de marché à mettre en place afin d’assurer la fiabilité du système électrique de la façon la plus efficace.La fiabilité est d’abord étudiée sous sa dimension de court terme, appelée sûreté. Pour garantir un équilibre en temps réel, l’opérateur du système doit s’assurer de disposer d’un niveau suffisant de réserves: c’est l’objectif du modèle de sûreté. Dans cette thèse, les impacts économiques induits par un changement de modèle de sureté pour le système électrique français sont évalués. Une modélisation de type Agent-Based est développée pour simuler les décisions des acteurs sur plusieurs marchés de court terme. Les résultats montrent que le modèle de sureté français actuel conduit à des coûts inférieurs à ceux du modèle alternatif mis en œuvre dans d’autres pays européens. Le maintien du modèle actuel en France apparait donc justifié.La dimension long terme de la fiabilité, à savoir l’adéquation, est ensuite étudiée. Les performances économiques d’un marché de capacité et d’un mécanisme de réserve stratégique, deux solutions conçues pour résoudre le problème d’adéquation, sont comparées. Afin de considérer la nature cyclique des investissements, ces mécanismes sont étudiés d’un point de vue dynamique par l’intermédiaire d’une modélisation de type System Dynamics. Celle-ci simule les décisions d'investissements et de fermetures prises par les acteurs de marché, en considérant leurs comportements imparfaits. Les principaux résultats montrent que le marché de capacité résout la question de l'adéquation à un coût moindre. / Following power market reforms, market design, i.e. the study of new markets to replace efficiently the previous monopoly, becomes central in the economic literature. However, due to several technical characteristics of electricity, this task is complex. A third party is then required to help design these markets in an efficient way and to set the rules under which private decentralized market players will interact. This complexity explains why market design remains a work in progress. This thesis contributes to the current discussions by giving insights on the most efficient market designs to implement to ensure the reliability of power systems.A first focus is made on the short-term dimension of reliability, i.e. the security of power systems. To maintain a balanced system, the system operator has to ensure the availability of a sufficient level of reserves in real time: this is the aim of the security model. In this thesis, a quantitative assessment of the economic impacts that a transition to a different security model would have for the French power system is carried out. An agent-based modelling is developed to simulate the decisions of profit-maximizing players on several short-term markets. Simulations show that the current French security model results in lower costs than the alternative one implemented in several European countries, and should therefore be maintained for the French power system.A second focus is made on the long-term dimension of reliability, i.e. the adequacy. The economic performances of a capacity market and a strategic reserve mechanism, two mechanisms designed to solve the adequacy issue, are compared. In order to capture the cyclical nature of investments, these mechanisms are studied from a dynamic point of view. To this end, a long-term model is developed based on a System Dynamics approach. It simulates the investment and shutdown decisions made by market players considering their imperfect behaviours. Main results show that the capacity market solves the adequacy issue at a lower cost than the strategic reserve mechanism.

La transition énergétique, en partie caractérisée par le déploiement massif des énergies renouvelables, a relancé un débat de longue date sur les architectures de marché fournissant les meilleures incitations aux investissements dans les marchés libéralisés de l’électricité. Ces incitations sont essentielles pour garantir la sécurité d’approvisionnement à long terme. Pour choisir l’architecture de marché adéquate, les décideurs publics doivent évaluer et comparer les performances économiques des solutions disponibles. La présente thèse complète la littérature sur les incitations aux investissements et la sécurité d’approvisionnement en étudiant trois aspects importants : (i) le comportement des marchés de l'électricité en présence d’acteurs averses au risque, (ii) la compatibilité entre les incitations des acteurs à mettre leurs actifs sous cocon et les objectifs de sécurité d’approvisionnement et (iii) les performances économiques de différentes architectures de marché dans un contexte de forte pénétration des énergies renouvelables. Pour ce faire, une modélisation de type System Dynamics est utilisée pour représenter les dynamiques de long terme résultant des décisions des acteurs dans un marché libéralisé. La thèse est organisée en trois chapitres correspondant à chacun des points mentionnés ci-dessus. Les principaux résultats sont les suivants : Premièrement, les mécanismes de capacité sont nécessaires pour faire face aux effets néfastes de l’aversion au risque des investisseurs. Ce phénomène affecte de manière significative les marchés de l’énergie de type energy-only, qui subissent alors une baisse des investissements et des pénuries plus importantes. Les marchés de capacité résistent mieux à l’aversion au risque des investisseurs. Cependant, cette résilience dépend du plafond des prix dans les enchères de capacité. Pour qu'une telle architecture de marché donne des résultats satisfaisants en termes de sécurité d’approvisionnement, ce plafond de prix doit tenir compte du risque d'investissement supporté par les acteurs. Deuxièmement, si les acteurs du marché en ont la possibilité, leurs décisions de mettre leurs actifs sous cocon peuvent modifier les dynamiques d'investissement et de fermeture à long terme. En outre, dans un monde caractérisé par des actifs indivisibles, cette possibilité augmente le niveau de coordination nécessaire pour assurer la sécurité d’approvisionnement. Cela est particulièrement vrai pour les marchés de type energy-only, dans lesquels la mise sous cocon augmente le niveau des pénuries, au point de contrebalancer les économies de coûts qu’elle génère. En revanche, les marchés de capacité peuvent fournir la coordination nécessaire pour assurer la sécurité d’approvisionnement même lorsque les acteurs ont la possibilité de mettre leurs actifs sous cocon. Troisièmement, parmi les architectures de marché proposées dans la littérature, les marchés de capacité apparaissent comme la meilleure solution du point de vue du surplus social. Néanmoins, du point de vue des investisseurs, et dans certaines conditions liées à une forte pénétration des énergies renouvelables, les marchés de capacité avec des contrats annuels ne suppriment pas entièrement le problème dit de "missing money". Les résultats indiquent que l'attribution de contrats de capacité pluriannuels atténue le problème. / The ongoing energy transition, partly characterized by the massive deployment of renewables, has reignited a long-lasting debate on the best market design options to provide adequate investment incentives and ensure capacity adequacy in liberalised electricity markets. To choose the appropriate market design, policymakers need to assess and compare the economic performances of available solutions in terms of effectiveness and cost-efficiency. This dissertation complements the existing literature on market design for long-term capacity adequacy by focusing on three research topics: (i) understanding how electricity markets perform under different assumptions regarding investors’ risk preferences, (ii) analysing the compatibility of private agents’ incentives to mothball capacity resources with security of supply objectives and (iii) assessing the economic performance of different market designs in a context of a high penetration of renewables. To this end, the System Dynamics modelling framework is applied to represent long-term dynamics resulting from private agents’ decisions in liberalised electricity markets. The dissertation is organised in three chapters corresponding to each of the topics mentioned above. The main results are outlined below. Firstly, capacity remuneration mechanisms are necessary to deal with the detrimental effects of investors’ risk aversion. Energy-only markets are significantly affected by this phenomenon as they experience reduced investment incentives and higher levels of shortages. Capacity markets are more resilient to private investors’ risk aversion. However, this resilience depends on the level of the price cap in the capacity auctions. For such a market design to provide satisfactory outcomes in terms of capacity adequacy, this price cap should account for the investment risk faced by market participants. Secondly, when market participants have the possibility to mothball their capacity resources, these mothballing decisions can potentially modify investment and shutdown dynamics in the long run. Furthermore, in a world with capacity lumpiness (i.e. indivisibilities), mothballing increases the level of coordination needed to ensure capacity adequacy. This is especially true in energy-only markets, where mothballing increases the level of shortages to an extent that seems to overweigh the cost savings it generates at system level. Capacity markets can provide the required coordination to ensure capacity adequacy in a world with mothballing. Thirdly, among proposed market designs in the literature, capacity markets appear as the preferable solution to ensure capacity adequacy from a social welfare point of view. Nevertheless, from a private investor’s perspective and under certain conditions related to high penetration of renewables, capacity markets with annual contracts do not entirely remove the so-called “missing money” problem. The results indicate that granting multiannual capacity contracts alleviates the problem.

Les marchés électriques libéralisés sont supposés assurer la coordination de long terme des investissements afin de garantir sécurité d’approvisionnement, viabilité et compétitivité. Dans le modèle de référence energy-only, la formation des prix par alignement sur le coût variable de l’équipement marginal sur les marchés horaires successifs fournit un signal prix pour les investisseurs. Cependant, en pratique, ce modèle est remis en question quant à sa capacité à déclencher des investissements dans les technologies bas-carbone et en particulier les énergies renouvelables (EnR) et quant à sa capacité à garantir la sécurité d’approvisionnement. Cette thèse cherche d’abord à caractériser ces deux défaillances de marché puis s’intéresse à différentes solutions pour faire face à chacune d’entre elles. Pour cela, la réflexion s’appuie sur un modèle en System Dynamics développé afin de simuler les investissements dans les marchés électriques.D’une part, les résultats montrent que le remplacement des mécanismes de support hors marché par des investissements par le marché avec l’aide d’un prix du carbone apparait comme une solution pour déclencher le développement des EnR à condition d'un engagement politique fort en faveur d’un prix du carbone élevé. D’autre part, il apparait aussi que le marché energy-only avec des prix plafonnés ne parvient pas à assurer l’adéquation de capacité. L’ajout d’un marché de capacité ou la suppression du plafond de prix permettent une amélioration en termes de nombre d’heure de délestage et de bien-être collectif. De plus, le marché de capacité apparaît comme le meilleur choix pour le régulateur parmi les architectures de marché considérées. / In liberalised electricity systems, power markets are expected to ensure the long-term coordination of investments in order to guarantee security of supply, sustainability and competitiveness. In the reference energy-only market, it relies on the ability of power markets — where the hourly price is aligned with the marginal cost of the system — to provide an adequate price-signal for investors. However, in practice, questions have been raised about its ability to trigger investments in low-carbon technologies including in particular Renewable Energy Sources of Electricity (RES-E), and its ability to ensure capacity adequacy. After a characterisation of these market failures, this dissertation tackles the two research topics within a methodological framework based on a System Dynamics model developed to simulate private investment decisions in power markets.First, the results show that substituting out-of-market support mechanisms for RES-E by market-based investments helped by the sole implementation of a carbon price appears as a feasible solution to trigger RES-E development providing that there is a political commitment on a high carbon price. Second, it also appears that the energy-only market with price cap is ineffective to ensure capacity adequacy. Adding a capacity market or removing the price cap both bring benefits in terms of loss of load expectation and social welfare. Moreover, the capacity market is identified as the best option for regulators among the considered market designs.