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.

L'Analyse de Cycle de Vie (ACV) a été explicitement employée, dans le cadre législatif en Europe et aux Etats-Unis afin de quantifier les bénéfices de filières biocarburants vis-à-vis des objectifs de réduction d'émissions des gaz à effet de serre (GES) et d'indépendance énergétique. Nous investiguons, au cours de cette thèse, la concordance du développement des biocarburants avancés (éthanol lignocellulosique, Biomass to Liquids - BTL, EMHV/HVO à partir de microalgues) avec ces objectifs par le biais de deux travaux indépendants. Le premier est une méta-analyse (synthèse de littérature) des études ACV appliquées aux filières de biocarburants avancés. Dans cette partie de la thèse, en utilisant des méthodes économétriques, nous identifions et quantifions les facteurs qui impactent le plus les résultats d'émissions de GES au long du cycle de vie des produits étudiés et calculons l'intervalle de confiance pour ces résultats. Le deuxième travail est une ACV conséquentielle et prospective illustrée par une étude de cas concernant l'introduction du BTL en France. Nous avons adapté un modèle prospectif de type TIMES pour la réalisation d'évaluations environnementales. De cette façon, nous prenons en compte des mécanismes économiques à l'origine d'impacts sur d'autres systèmes de la production de biocarburants. Ainsi, nous contribuons aux développements méthodologiques autour de l'ACV conséquentielle et prospective avec des discussions sur la définition de l'unité fonctionnelle, la définition des frontières du système, l'inclusion d'aspects dynamiques dans la caractérisation d'impacts, l'utilisation de scénarios (différents contextes politiques et économiques) et la réalisation des analyses de sensibilité sur les frontières du système pour mettre en évidence les limites du modèle utilisé. / Life Cycle Assessment (LCA) has been used in legislative texts in Europe and in the United States to quantify the benefits of biofuel production in terms of greenhouse gas (GHG) emissions reductions and energy security. In this thesis, we propose two independent approaches to investigate the compliance of advanced biofuels (cellulosic ethanol, Biomass to liquids - BTL, microalgae FAME/HVO) production with these objectives. The first one is a meta- analysis (literature synthesis) of LCA studies concerning advanced biofuels. Using econometric methods, we are able to identify and quantify the main factors impacting GHG emission LCA results. Also, we estimate a confidence interval for these results for each type of advanced biofuel in question. The second part of this work is a consequential and prospective LCA illustrated by a case study about the introduction of BTL technology in France. A long-term TIMES-type energy model was adapted for environmental evaluations in order to capture impacts occurring in affected systems through economic mechanisms. We contribute, with this work, for a proper systematization of consequential and prospective LCA. We discuss the functional unit and system boundaries definitions, the use of dynamic impact characterization factors, the use of scenarios (different political and economical contexts) and the exploration of the system's boundaries to bring attention to the limits of the model employed.

Les systèmes électriques évoluent actuellement vers l'intégration d'une production moins carbonée, éventuellement plus locale. Afin d’explorer les évolutions possibles de ces systèmes sur le long terme, l’exercice prospectif s’appuyant sur des modèles est un outil précieux. Cependant, pour être pertinent, il doit réconcilier des phénomènes spatiaux et temporels à des échelles variées. Ainsi, le fonctionnement du système électrique repose sur un équilibre offre – demande à chaque instant. Afin de corriger les fluctuations de la production ou de la consommation qui surviennent nécessairement, les gestionnaires de réseau mettent en place un certain nombre de régulations dont les durées d’activation sont de l’ordre de quelques secondes à quelques heures. A des échelles de temps encore plus fines le système électrique présente une robustesse interne : le réseau électrique créé un couplage électromagnétique entre les machines synchrones qui leur permet de mutualiser leur inertie respective. Cette inertie, qui constitue une réserve d’énergie cinétique, est instantanément disponible pour faire face aux fluctuations. Pour que les scénarios de long terme proposés ne soient pas en contradiction avec les exigences de robustesse du système électrique, qui permettront son opération, il est nécessaire que l’évaluation de cette robustesse soit intégrée à la modélisation prospective. Dans ce travail, nous proposons un indicateur, calculable au sein des études de prospective, qui évalue la stabilité d’un système électrique, c’est- à-dire son aptitude à revenir au synchronisme suite à une perturbation. Cet indicateur repose sur une description agrégée du réseau de transport et traduit le couplage électromagnétique apporté par le réseau. Associé au modèle bottom-up de la famille MARKAL/TIMES décrivant le système électrique français, cet indicateur de synchronisme et un indicateur quantifiant la réserve cinétique disponible, nous permet d’évaluer les conséquences de la pénétration du renouvelable, notamment sur la robustesse du système électrique. / Power systems are currently facing several issues in order to evolve and integrate less carbon-heavy, and potentially more local, production. Prospective model-based analysis is a precious tool for exploring the possible long-term developments of these systems and comparing their advantages and disadvantages. However, to ensure relevance, it is important to reconcile the spatial and temporal phenomena that occur at various scales. Power system management depends on constantly maintaining a complex supply- demand balance. Meeting this challenge requires anticipating demand variations and power plant availability, combined with regulation systems to resolve remaining discrepancies. These regulations are activated in from a few seconds up to several hours. On shorter timescales, power systems show inherent robustness: the power grid creates an electromagnetic coupling between synchronous machines allowing them to share their inertia. This inertia, which takes the form of kinetic energy, is instantaneously available to face natural demand or supply fluctuations. To ensure that proposed long-term scenarios are consistent with the robustness requirements of power systems, which enable their management, this robustness must be assessed using prospective modeling. In this work, we propose an indicator, calculable within prospective studies, which assesses power system stability, namely its ability to return to synchronism after a perturbation. This indicator is based on an aggregated description of the transportation power grid and describes the electromagnetic coupling brought by the power grid. When combined with a bottom-up model from the MARKAL/TIMES family describing the French power system, this synchronism indicator, along with another indicator quantifying the available kinetic reserve, enables us to assess the consequences of renewable penetration, especially in terms of power system robustness.