La fiabilité de fourniture est une caractéristique essentielle des systèmes électriques : elle évalue leur capacité à se prémunir d'incidents d'exploitation et repose sur leurs réserves dynamiques, caractérisées par le plan de tension et la fréquence et dont les temps caractéristiques varient entre quelques millisecondes et quelques heures. Or, les exercices de prospective long terme, s'intéressant à l'évolution des systèmes énergétiques sur plusieurs décennies, ne permettent pas d'apprécier cette fiabilité de fourniture et les systèmes électriques proposés sur l'horizon prospectif peuvent alors de ne plus la garantir. Ceci d'autant plus que l'intégration massive d'énergies renouvelables pourrait se faire au détriment de la fiabilité, du fait de la complexité induite par la gestion de l'intermittence. L'enjeu de notre étude est de rendre compatible l'évaluation de la fiabilité avec la dynamique temporelle associée aux exercices prospectifs de long terme. Nous proposons une représentation agrégée des systèmes électriques élaborée à travers une description thermodynamique de l'électromagnétisme. Cette approche nous permet d'établir deux indicateurs de fiabilité relatifs aux réserves dynamiques du système électrique et donc de quantifier de façon originale le niveau de fiabilité d'un système électrique en fonction du mix de production qui lui est associé. L'intérêt des indicateurs est démontré pour l'île de La Réunion où l'étude de la fiabilité du système électrique est réalisée sur les résultats issus de l'exercice de prospective long terme avec le modèle TIMES. Ce cas d'étude illustre particulièrement bien notre problématique puisque les acteurs publics de l'île se sont fixé pour objectif un mix de la production d'électricité en 2030 issu de 100% d'énergies renouvelables. L'analyse de ce scénario, et de quelques variantes, montre que les niveaux des réserves dynamiques diminuent avec l'intégration massive d'énergies renouvelables et qu'ils sont particulièrement préoccupants pendant la journée, lorsque la production intermittente est importante. On illustre ainsi comment, grâce à la mise en œuvre de nos indicateurs, il est désormais possible de discuter les conditions dans lesquelles la fiabilité continuerait à être assurée et à quel niveau, ce qui permet d'arbitrer entre l'ambition de décarbonation du mix électrique et la qualité de fourniture attendue.

L'augmentation des prix de l'énergie due à la raréfaction des énergies fossiles et la prise en compte des impacts environnementaux rend inéluctable l'engagement des industriels dans une démarche de maitrise de leurs consommations énergétiques et leurs émissions. L'Industrie Diffuse (ID), par opposition aux IGCE, est de plus en plus importante sur le plan économique, énergétique et environnemental. Elle devient ainsi une cible prioritaire d'autant plus que l'on constate qu'elle a été peu traitée dans les analyses énergétiques malgré l'intérêt des politiques en matière d'efficacité énergétique et le nombre considérable d'articles et de livres sur l'énergie. Comment quantifier alors l'implication de l'ID dans la contrainte réglementaire liée au changement climatique ? Quelles technologies et politiques à mettre en œuvre pour contribuer aux objectifs fixés par les plans d'actions pour l'efficacité énergétique ?Le travail de cette thèse repose ainsi sur une optimisation technico-économique de la chaine énergétique, à partir du modèle " bottom-up " de TIMES, dans une approche prospective pertinente des conséquences énergétique et environnementale de politiques MDE dans l'ID. Ce modèle s'appuie notamment sur une représentation par usages à l'inverse des IGCE du fait de l'inadaptabilité de l'approche produit/procédé. Dans ce cadre, l'analyse de la valorisation de la chaleur perdue en sortie des procédés à travers le déploiement de PAC dans l'agroalimentaire a été réalisée.Le recours à la modélisation prospective permet notamment d'observer le profil technologique et le timing des investissements des PAC en réponse à des contraintes énergétiques ou de mesures incitatives dans le cadre de Certificat d'Économie d'Énergie ou de valorisation des émissions de CO2. Il peut mettre aussi en lumière, d'une part, une possibilité d'étude sur un ajustement incrémentiel d'une taxe sur les émissions par les autorités de régulation pour atteindre leurs objectifs environnemental et énergétique sur le court, moyen et long-terme. D'autre part, il constitue un bon outil d'aide à la décision en déterminant des coûts différenciés d'économies d'énergie dans le cadre d'investissements de technologies MDE pour un meilleur criblage sectoriel.

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.

Face à une préoccupation environnementale croissante, les pays du monde accentuent leurs efforts pour réduire leur dépendance aux ressources fossiles, sources majeures d’émissions de gaz à effet de serre, en les remplaçant par des énergies propres, dont la bioénergie. Dans le contexte induit par l’Accord de Paris et les objectifs d’atténuation du changement climatique, la bioénergie connait une attention croissante dans le monde comme moyen de décarbonation de notre société. Ce travail de thèse se concentre sur les perspectives de développ- ement de la bioénergie en s’attachant à analyser l’évolution de la production de bioénergie au regard des politiques d’incitation, des échanges de ressources biomasses et leur utilisation soutenable à long terme dans un contexte de décarbonation des sociétés. Dans ce contexte d’analyse, ce travail porte également sur une meilleure implémentation de la bioénergie dans notre modèle d’optimisation du système énergétique mondial, TIAM-FR. Ce manuscrit est structuré en quatre chapitres. Le premier chapitre présente le positionnement actuel de la bioénergie, les stratégies mises en œuvre pour son développement et la manière dont cela s’intègre dans notre approche de modélisation. Le deuxième chapitre est consacré à la présentation du développement apporté à la filière de bioénergie dans le modèle TIAM-FR. Le troisième chapitre montre notre travail par rapport à l’évaluation du potentiel de la biomasse. Enfin, le dernier chapitre analyse le rôle futur de la bioénergie dans un contexte de lutte contre le réchauffement climatique, à l’échelle mondiale et par un focus réalisé sur quatre pays asiatiques, la Chine, l’Inde, le Japon et la Corée du Sud. / With growing concerns about the environment, countries are increasing efforts to reduce their fossil fuel dependency, the major source of greenhouse gas emissions, by replacing them with clean energy sources including bioenergy. In this context induced by the Paris’ Agreement and climate change mitigation targets, the bioenergy is being highlighted in the pathway to the decarbonization of our society. The work of this thesis concentrates on the perspectives of bioenergy development aiming to analyze the evolution of bioenergy production in view of policies, global exchange of biomass resources and the sustainable utilization of bioenergy in the long term in a context of decarbonization of societies. In terms of analysis, this thesis focuses also on the better implementation of bioenergy chain in our global energy system optimization model, TIAM-FR. This manuscript is structured in four chapters. The first chapter presents the actual position of bioenergy, bioenergy development strategy as well as the way how they are integrated into our modeling approach. The second chapter is dedicated to present the developments effectuated for the bioenergy chain in the model TIAM-FR. The third chapter shows our work regarding the evaluation of biomass resources potentials. Lastly, the role of bioenergy in the climate change mitigation context has been discussed at a global scale and by a focus on four Asian countries, China, India, Japan and South Korea.

Soumis à une pression anthropique croissante, les paysages naturels en Algérie subissent à l’heure actuelle des modifications importantes dans leur composition et leur structure. Ce travail vise à comprendre les transformations des paysages végétaux et mettre en évidence leurs dynamiques spatio-temporelles. Le parc national de Taza (3807 ha), haut lieu de la biodiversité en Algérie et Réserve de la Biosphère a servi de site d’expérimentation à la modélisation proposée. L’utilisation conjointe de la statistique et de la géomatique a offert des outils performants pour analyser et modéliser les changements de structure et de composition des habitats naturels. Dans un premier temps les relevés floristiques ont permis de caractériser leur composition. Six associations végétales ont été identifiées avec une tendance à la matorralisation des formations forestières. Le recours dans un second temps aux images satellites Landsat a permis de réaliser un suivi des Land use/Cover Changes entre 2003 et 2011. On y constate une augmentation de 15,22 % des surfaces de matorral contre un recul de 188,57 ha de forêts sclérophylles et de 348,15 ha de forêts à chêne caduc. La calibration du modèle de simulation s’est révélée délicate d'autant plus que l’évaluation des relations entre les changements observés et les facteurs explicatifs a mis en relief la complexité des interdépendances au sein des écosystèmes méditerranéens. L’évaluation du modèle a fait ressortir la complexité des phénomènes étudiés et les limites des données disponibles. Néanmoins, cela nous a permis de confirmer les tendances d’évolution paysagère observées. Globalement, ce travail a permis d’établir une cartographie récente de l’occupation du sol, de mettre en place une base de données sur les habitats naturels et les LUCC et de développer un modèle de simulation prospective des paysages végétaux. Malgré les limites rencontrées, cette étude a voulu faire le pari d'une approche pertinente des dynamiques paysagères par modélisation prospectives en Algérie, qui sera extrêmement utile dans la gestion des espaces naturels sensibles. / Under increasing human pressure, natural landscapes in Algeria currently undergoing changes in their composition and structure. This work aims to understand the transformation of landscape plants and highlight their spatio-temporal dynamics. Taza National Park (3807 ha) high biodiversity hotspot in Algeria and Biosphere Reserve served as an experimental site for the proposed modeling. The joint use of statistics and geomatics has provided powerful tools to analyze and model the changes in the structure and composition of natural habitats. Initially the floristic surveys were used to characterize their composition. Six vegetation associations were identified with a tendency to matorralisation forest formations. The use in a second time of Landsat images has achieved a track record Land use / Cover Changes between 2003 and 2011. It has been noticed that there has been an increase of 15.22% surfaces scrub against a decline of 188.57 ha of sclerophyllous forests and 348.15 ha of forest deciduous oak. The calibration of the simulation model proved difficult especially as the evaluation of the relationship between observed and explanatory factors highlighted the complexity of interdependencies in Mediterranean ecosystems. The model evaluation highlighted the studied phenomena complexity and the limitations of available data. Nevertheless, this has allowed us to confirm the trends observed landscape evolution.Overall, this work has enabled a recent mapping of the land, establishing a database on natural habitats and LUCC and developing a forward simulation model of landscape plants.Despite the limitations encountered, this study wanted to be a relevant approach by prospective landscape dynamics modeling in Algeria, which will be extremely useful in the management of sensitive natural areas.

Au cours de la dernière décennie, nous avons pu assister à l’expérimentation de plusieurs nouvelles filières pour contribuer aux objectifs nationaux de décarbonation du système énergétique français : biométhane, méthane de synthèse produit par du Power-to-Gas, hydrogène, Capture et Séquestration du Carbone (CSC)… Dans quels contextes ces filières pourraient-elles se développer ? Quelles seraient le cas échéant leurs perspectives de compétition/coopération ?Ce travail de thèse évalue le positionnement de ces nouvelles filières technologiques au sein des systèmes gaz et électrique. Il propose une estimation technico-économique des choix de long terme à l’horizon 2050 dans le cadre d’un paradigme d’optimalité. L’analyse de l’équilibre offre-demande pluriannuel est complétée par celle des dynamiques de production à une échelle intra-journalière et des enjeux de flexibilité associés.Pour ce faire, le modèle TIMES-FR-GAZEL développé dans cette thèse décrit le couplage des systèmes gaz et électrique à travers une représentation explicite des chaînes technologiques. Il permet une optimisation conjointe des deux systèmes sous contraintes environnementales.A l’aide de ce modèle, le positionnement des nouvelles filières gazières et électriques en France est étudié en prenant en compte les trajectoires pour parvenir à l’horizon 2050. Les analyses sont réalisées sur la base de scénarios de demande finale qui intègrent des jeux d’hypothèses contrastés concernant la disponibilité des technologies, les stratégies de décarbonation et la demande. / Over the past decade, several new technological pathways have been experimented with a view to reaching national decarbonization targets in France. These include biomethane, synthetic methane from Power-to-Gas, hydrogen, and Carbon Capture and Sequestration (CCS). The potential contributions of these technologies could make it more difficult for stakeholders and public authorities to choose the appropriate solution. In what contexts could these technologies be developed and what are their potential competition/cooperation perspectives?This research analyzes the role of these new technological pathways within the French gas and electricity systems. We propose a long-term, techno-economic assessment of the options at a 2050 horizon applying an optimal paradigm. We analyze the systems balance over several years while addressing the issue of intraday flexibility constraints.To this end, the bottom-up TIMES-FR-GAZEL model has been developed in order to study joint gas and electricity systems optimization with explicit representation of technologies (biomethane production, Power-to-Gas, CCS, etc.).This model allows us to embed trajectory constraints to reach the 2050 horizon. Assessments are conducted based on final energy demand scenarios with contrasted hypotheses on technology availability, decarbonization strategies and energy demand.

Le contexte énergétique et politique en France laisse présager de l'apparition d'une forte contrainte de réduction des émissions de CO2 des ménages dans les décennies à venir. Plusieurs interrogations se posent alors : Quelles sont les technologies permettant d'atteindre une telle réduction ? Quelles politiques mettre en œuvre pour atteindre un tel objectif ? Et quel est l'impact de ces politiques sur le budget des ménages ? Le présent travail de thèse s'attache à répondre à ces questions à partir d'un modèle bottom-up d'optimisation de type TIMES portant sur les secteurs résidentiel et transports, réalisé dans le cadre de cette thèse. Ce modèle s'appuie notamment sur une représentation des ménages très désagrégée qui permet d'apporter beaucoup plus de robustesse par rapport aux autres modèles de ce type, basés sur la description d'un ménage moyen. De plus, à l'aide d'une enquête auprès de 2000 ménages réalisée dans le cadre de cette thèse, il est possible de prendre en compte le comportement de consommation des ménages de manière relativement fine, notamment en rendant compte des contraintes subies par les ménages et des arbitrages qu'ils réalisent entre coût et confort. L'exercice de prospective réalisé à partir de ce modèle permet d'évaluer l'efficacité en terme de réduction et l'impact sur le budget des ménages de différents outils politiques. Il permet notamment de visualiser que l'instauration d'une taxe carbone est un moyen efficace de réduire les émissions et que la mise en place conjointe de subventions ciblées permet de compléter l'action de cette taxe tout en diminuant son impact distorsif sur le budget des ménages.

Le présent mémoire retrace notre parcours géomatique de géographe de l'environnement, en le situant d'abord dans le champ scientifique avant de résumer les principales approches en modélisation et en simulation prospective applicables dans ce domaine. Sur ces bases, nous présentons le modèle géomatique de simulation prospective de l'occupation du sol que nous avons établi, avant de conclure en ouvrant des perspectives de recherches. Dans la première partie, le positionnement scientifique de la géomatique fait l'objet des 2 premiers chapitres qui analysent l'émergence de ce nouveau champ transdisciplinaire et ses relations avec la géographie. La seconde partie est consacrée à la modélisation et à la simulation prospective de dynamiques environnementales. Dans une dernière partie, plus brève, nous concluons ce mémoire en esquissant quelques perspectives. Perspectives de développement des recherches en matière de modélisation d'abord, mais aussi de thématiques environnementales que nous souhaitons approfondir. Enfin sont suggérées quelques pistes sur la valorisation de nos recherches et les nouveaux enjeux de la formation géomatique en géographie. Un second fascicule complète le premier et fait état, outre le curriculum vitae, de nos activités professionnelles et publications.

Le secteur résidentiel en Algérie consomme 25 % de l'énergie finale et émet en moyenne 21 % des gaz à effet de serre. Or, il existe un important gisement d'économie d'énergie dans ce secteur. Ce constat a conduit à rechercher la manière de rendre le secteur du logement plus efficient en termes de consommation d'énergie et d'émission de CO2. Cette thèse vise à développer différentes méthodes d'analyse quantitative dédiées à l'amélioration performantielle du secteur résidentiel à l'horizon 2050 . Il s'agit, en clair, d'infléchir les consommations d'énergie et de stabiliser les émissions de CO2. La comparaison entre la France et l'Algérie doit mettre de mettre en lumière les différences, tant dans les dynamiques des structures de parcs que dans celles induites par les différentiels climatiques.Ce travail s'inscrit dans une démarche prospective. Il s'appuie sur les principes de l'exercice prospectif développés par Jacques Arcade et Michel Godet, et il s'inspire pleinement de nombreux travaux de recherche (ETHEL, CLIP…). Il a pour ambition de développer un modèle de prospective énergétique bottom-up, capable de mesurer différentes trajectoires de l'évolution des consommations d'énergie dans le secteur résidentiel et les émissions qui en découleraient à l'horizon 2050.Ce modèle s'articule à partir des données du scénario central de la démographie et du parc de logements de l'Office national des statistiques algérien, ainsi que les hypothèses argumentées relatives aux évolutions démographiques des ménages. La poursuite des tendances actuelles, en termes de consommations d'énergie et d'émissions à l'horizon 2050, permet de tracer un scénario de référence sur lequel la thèse s'appuie pour identifier les actions à mettre en œuvre afin d'y apporter d'éventuelles solutions. En se basant en effet sur un ensemble de leviers technologiques, notre modèle peut établir des scénarios volontaristes dans lesquels l'on suppose plusieurs trajectoires de l'évolution du couple consommations/émissions.Outre l'intérêt scientifique de ce travail, le développement de ce modèle peut constituer un outil d'aide à la mise en oeuvre d'une politique énergétique portant sur l'amélioration de l'efficacité énergétique dans le secteur du logement ; les scénarios réalisés peuvent en outre constituer une feuille de route pour de nouvelles stratégies énergétiques. / The residential sector in Algeria consumes 25 % of the final energy and emits about 21% of greenhouse gas emissions. However, there is a significant potential of energy saving in this sector. This leads to looking for ways to make the sector of housing more efficient in terms of energy consumption and CO2 emissions. This thesis aims to develop different methods of quantitative analysis dedicated to improving the performance of the résidential sector in 2050. In other words, the objective is to reduce energy consumption and stabilize CO2 emissions. The comparison between France and Algeria should help to clarify the differences in both dynamic structures housing stock as well as in those induced by climate differentials.This research work fits into a prospective approach. It is based on the principles of prospective exercise developed by Jacques Arcade, Michel Godet, and it is influenced by numerous research works (ETHEL, CLIP). It has the ambition to develop a model of bottom-up energy prospective capable of measuring various trajectories of the evolution of energy consumption in the residential sector and resulting emissions by 2050.This model is based on the data of the central scenario of demography and the housing stock of the Algerian National office of Statistics, and on the well-argued assumptions concerning the démographic evolution of households. The continuation of current trends in terms of energy consumption at the approach of 2050 allows us to draw up a reference scenario on which the thesis is based to identify the actions to be implemented to identify possible solutions. Indeed, by basing itself on a set of technological levers, our model can establish voluntaris scenarios in which several trajectories of the evolution of the consumption/emissions pair can be envisaged.Besides the scientific interest of this work, the developement of this model can establish a help tool for the implementation of an energy policy concerning the improvement of the energy efficiency in the sector of housing ; moreover, the scenarios undertaken could constitute a road map for new energy strategies.

Les territoires ruraux disposent du principal gisement d’énergie renouvelable en France. Les réseaux énergétiques y sont moins denses que dans les zones urbaines et certains vecteurs, tels que le gaz, en sont souvent absents. Or, alors que les systèmes énergétiques urbains ont été abondamment étudiés, les spécificités de la demande énergétique rurale restent méconnues, notamment dans le secteur résidentiel. Des travaux récents mettent en avant les enjeux liés à la décentralisation du système énergétique français et le besoin d’une connaissance fine de l’offre et de la demande, tant sur le plan spatial que temporel. Ce travail de thèse poursuit deux objectifs. Tout d’abord il s’attache à identifier les spécificités de la consommation énergétique des logements ruraux par rapport aux logements urbains. Ensuite, il vise à analyser la réponse que peut apporter le gisement local d’énergie renouvelable à la demande résidentielle sur un territoire mixte urbain-rural, dans une optique de territoire à énergie positive – équilibre annuel entre l’offre et la demande énergétique du territoire. / Rural areas have the main resources of renewable energy in France. Energy networks are less dense there than in urban areas and some energy vectors, like gas, are often missing. However, as urban energy systems have been widely studied, the specificities of rural energy demand remain little-known, especially for the residential sector. Recent works highlight new challenges related to decentralization of the French energy system and the need for fine knowledge of demand and supply, on both spatial and time scales. This research work pursues two objectives. First, it commits to identify the specificities of rural housing energy consumption. Then, it aims at analyzing the potential response of local renewable energy sources to the residential demand in a mixed urban-rural territory, in a 100 % RES process – equilibrium between annual energy demand and supply on the territory.