La transition énergétique est un enjeu crucial du XXIème siècle, en particulier pour réduire les conséquences néfastes du changement climatique. Cependant, cette transition est sujette à de nombreux risques : économiques, géologiques, sociaux, environnementaux et géopolitiques. Afin de pouvoir évaluer la vulnérabilité et les conditions de faisabilité des scénarios de transition énergétique, il est nécessaire de pouvoir évaluer la chaine de valeur technologique et géographique des technologies impliquées dans le système énergétique.Les outils actuels tels que les analyses de cycle de vie (ACV) permettent de prendre en compte la chaine de valeur technologique, mais les données relatives aux ACV ne fournissent pas ou peu d’information sur la chaine de valeur géographique. Les modèle d’entrées-sorties économiques (IOA), en particulier ceux mutlirégionaux (MRIO), s’ils fournissent des données sur les échanges économiques bilatéraux, donc une estimation des échanges régionalisés, sont des modèles très agrégés. Les nomenclatures des activités économiques et des catégories de produits prisent en compte sont restreintes. Le travail réalisé au sein de cette thèse vise à exploiter les informations des outils ACV et MRIO, profitant des avantages de chacun, c’est à dire l’information technologique des premiers et l’information régionalisée des seconds. Une nouvelle méthodologie est proposée pour régionaliser les inventaires de cycle de vie d’ACV à partir des données MRIO. Cette méthodologie permet, à partir d’une base de données ACV de processus industriels, d’exploiter l’information géographique des processus lorsqu’elle existe et d’exploiter les informations d’échanges économiques bilatéraux des MRIO pour estimer cette information lorsqu’elle n’existe pas. Un soin particulier est pris afin de faire correspondre les activités et les produits selon leurs géographies.Les outils qui découlent de ces travaux sont la première étape à l’évaluation des scénarios de la transition énergétique. En particulier, ils permettent de réaliser des inventaires de cycle de vie régionalisés pour évaluer les besoins et les impacts des technologies impliquées dans la transition énergétique. Cependant, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour prendre en compte la dimension temporelle des scénarios de transition énergétique.Cette nouvelle méthode nécessite l’usage de nombreuses données de sources différentes. Afin de gérer ces données, une plateforme internet collaborative a été mise en place, qui permet de dissocier la gestion des données de leur usage. Une réflexion sur la gestion de la donnée a amené à penser de manière différente la structure des données relatives à l’écologie industrielle. Une nouvelle architecture sémantique, aussi appelée ontologie, a été développée pour faciliter la gestion des données, mais aussi leur maintient et leur évolution dans le temps, que ce soit pour un utilisateur unique, ou dans le cadre d’une gestion collaborative. / The energy transition is a decisive issue of the XXIth century, particularly in relation to the reduction of the harmful consequences of the climatic changes. However, this transition is subjected to several hazards : economic, geologic, social, environmental and geopolitical ones. In order to evaluate the vulnerability and the conditions of feasibility of the energy transition scenarios it is necessary to be able to evaluate the supply chain of the technologies related to the energy system, in the technological and but also geographical dimensions.The current studies such as the life cycle assessments (LCA) allow to take into account the supply chain in the technological dimension, but these studies do not provide or only few information about the geographical dimension. At the opposite, the Input-Output Analysis (IOA), particularly the multiregional ones (MRIO) provide an information about the regional exchanges by categories of products, but are very aggregated. The nomenclatures of the economical activities and the categories of products taken into account are restricted. The works realized within this thesis aim to exploit the best of each tool, i.e. the technological information from the LCA and the geographical information from the MRIO. A new methodology is proposed to regionalize the LCA inventory with the MRIO data. This methodology allows to use the geographical information of the LCA data when it exists or otherwise use the geographical information from MRIO to estimate it. A particular attention is paid to get a realistic model, i.e. to match the activities and the products with real geographical data.The tools produced in this thesis are the first step to evaluate the energy transition scenarios. Particularly, they allow to realize regionalized LCA inventories to evaluate the needs and impacts of the technologies involved in the energy transition. However, additional works are necessary to take into account the temporal dimension of the energy transition scenarios.The new method needs to manipulate a lot of different data from different sources. In order to manage these data a new collaborative web platform has been set up. It allows to manipulate the data through a web interface as well as uses them in calculation frameworks. In order to facilitate the evolution of the tools and the manipulation of the data, a work about how to structure and manipulate the information was realized. A new semantic architecture — called computer ontology — has been developed to facilitate the management of the knowledges but also the maintenance and the integration of new knowledges. The collaborative framework can fit the specifications for a one person usage or a community.

Cette thèse est composée de trois chapitres qui traitent de la problématique de la régulation optimale des émissions de carbone pour atténuer le changement climatique. Dans le premier chapitre, nous analysons les interactions stratégiques entre un cartel, exportant une ressource non renouvelable génératrice de pollution, et deux pays importateurs hétérogènes qui souhaitent atténuer les dommages dus à la pollution. Les pays importateurs différent selon leur demande de la ressource et selon leur degré d’exposition au stock (mondial) de pollution. Les pays importateurs fixent de manière non coopérative des taxes carbone sur la consommation de la ressource polluante et le cartel exportateur fixe son prix à la production. En utilisant équilibre de Nash en boucle ouverte, nous obtenons des solutions explicites des trajectoires temporelles des taxes carbone, du prix au producteur et du stock de pollution. Nous montrons que lorsque les pays importateurs agissent de manière non coopérative, à un temps fini, le prix à la production bondit et le pays importateur le plus touché par la pollution cesse de demander la ressource. Nos résultats numériques basés sur la caractérisation explicite de l’équilibre non coopératif montrent qu’une plus grande symétrie par rapport aux coûts de la pollution conduit à une augmentation plus rapide du stock de pollution en début d’horizon temporel, mais à un stock de pollution de long terme plus faible et un bien-être total plus élevé. Dans le deuxième chapitre, Nous analysons les effets des ajustements carbone bilatéraux aux frontières sur les taxes carbone dans un jeu non coopératif entre deux pays symétriques ouverts ayant des firmes en concurrence imparfaite en présence de pollution transfrontalière. Nous comparons également dans ce chapitre les résultats de ce jeu avec ceux de deux benchmarks (soient, le jeu non coopératif sans ajustements carbone aux frontières et la solution efficace). Nous constatons que lorsque les pays souffrent peu de la pollution, seuls des équilibres symétriques existent. En revanche, si les pays souffrent suffisamment de la pollution, seuls des équilibres asymétriques existent. Les taxes sur le carbone en équilibres symétriques sont plus élevées que les taxes efficaces, tandis que l’inverse est vrai pour les équilibres asymétriques. Dans tous les cas d’intérêt, le bien-être total à l’équilibre du jeu non coopératif avec ajustements carbone aux frontières est supérieur à celui du jeu non coopératif sans ajustements carbone aux frontières. Lorsque les coûts de la pollution sont suffisamment bas, il existe un niveau d’ajustement carbone aux frontières tel que les taxes d’équilibre non coopératif sont efficaces. Enfin, dans le cas où les pays souffrent suffisamment de la pollution, le niveau optimal d’ajustement carbone aux frontières peut être partiel ou total selon les paramètres du modèle. Nous étudions enfin, dans le dernier chapitre, un jeu de pollution frontalière non coopératif entre respectivement deux pays et trois pays fixant des taxes carbone en présence d’ajustements carbone aux frontières et avec présence d’une concurrence imparfaite sur le marché international des biens polluants. Les pays sont asymétriques quant à leur volonté de payer pour la réduction des émissions mondiales de carbone. Dans nos modèles, seul le pays le plus touché impose un ajustement carbone aux frontières. Nous montrons que, contrairement à la littérature existante utilisant des modèles à deux pays avec un seul marché, le pays le plus touché préfère très généralement utiliser un ajustement carbone total aux frontières (c’est-à -dire un tarif qui ajuste exactement les écarts entre sa propre taxe carbone et celles des autres pays) à un ajustement carbone partiel aux frontières. De plus, un ajustement carbone total aux frontières est optimal pour le bien-être global dans la plupart des cas d’intérêt. / This thesis is composed of three chapters which concern the problem of the optimal regulation of carbon emissions to mitigate climate change. In the first chapter, we analyze strategic interactions between a resource cartel exporting a non-renewable stock pollutant and two heterogeneous importing countries, who want to mitigate pollution damages. The importing countries differ with respect to market size and with respect to how strongly they are affected by the (global) stock of pollution. The importing countries non cooperatively set emissions taxes and the exporting cartel sets its producer price. Using open loop Nash equilibrium, we obtain explicit solutions for the time paths of the carbon taxes, the producer price and the stock of pollution. We show that when the countries act non cooperatively, at a finite time, the producer price jumps and the country that is most affected by pollution stops demanding the resource. Our numerical results based on the explicit characterization of the non-cooperative equilibrium yield that more symmetry with respect to the cost of pollution leads to faster increase of the stock of pollution initially, but to a lower long-term stock and higher total discounted welfare. In the second chapter, we analyzes the effects of bilateral border tax adjustments on carbon taxes in a non-cooperative game between two symmetric open countries trading in an oligopolistic framework with cross-border pollution. We also contrast the results of this BTA game with those of two benchmarks (the non-cooperative game without BTA and the efficient solution). We note that when countries suffer little from pollution, only symmetric equilibria exist. By contrast, if countries suffer sufficiently from pollution, only asymmetric equilibria exist. Carbon taxes in symmetric equilibria are higher than the efficient taxes, while the opposite is true for the asymmetric equilibria. In all cases of interest, the total welfare in the equilibrium of the non cooperative game with BTA is higher than that in the equilibrium of the non cooperative game without BTA. If the cost of pollution is sufficiently low, there is a level of BTA such that non cooperative equilibrium taxes are efficient. Finally, in the case where the countries suffer a lot from pollution, the optimal level of BTA can be partial or full depending on the parameters of the model. Finally, in the last chapter, we study a non-cooperative transboundary pollution game between respectively two countries and three countries setting carbon taxes in the presence of a Border Tax Adjustment (BTA) and with imperfect competition in the international polluting goods market. Countries are asymmetric with respect to their willingness to pay for reductions of global emissions. In our models, only the most affected country imposes a BTA. We show that, unlike in the existing literature using two-country models with only one market, the most affected country generally prefers using a full BTA, a tariff that fully adjusts for the differences between its own carbon tax and those in other countries, to a partial BTA. Moreover, a full BTA is optimal for the global welfare in most cases of interest.

Cette thèse utilise la mathématique et la théorie de l'économie financière pour étudier la gestion de la pollution, la valeur d'une centrale électrique thermique et le prix d'une ressource naturelle non renouvelable. Elle est composée de trois essais. Le premier essai analyse la décision d'investir afin de réduire les émissions d'un polluant de type stock sous deux types d'incertitude : économique (ce qui rend les émissions stochastiques car elles sont une conséquence de l’activité économique) et environnementale (ce qui affecte directement le stock de polluant). La littérature économique récente semble indiquer qu'en présence d'incertitude et de coûts irréversibles, l'action d’investir devrait être retardée. Nous utilisons des concepts de la théorie des options réelles et formulons ce problème de planificateur central comme un problème d'arrêt optimal en temps continu. Nous dérivons la règle d'arrêt correspondante et montrons que lorsque l'incertitude environnementale ou économique est suffisamment élevée, il est optimal d'investir immédiatement pour réduire les émissions. Ces résultats ont des implications sur la gestion des stocks de polluant stock, notamment pour la gestion des gaz à effet de serre. Le second essai s’appuie sur la théorie des options réelles pour évaluer la valeur d’une centrale électrique dans un marché déréglementé. Ce travail est motivé par la vague de déréglementation qui a sévi récemment dans le secteur de l'électricité. La littérature existante cherche plutôt à trouver la valeur d'option de vente d'une certaine quantité d'électricité à un moment donné dans le futur ou modélise la décision d'opérer une centrale électrique par simulation. Notre formulation considère qu'une usine de production d'électricité peut être dans deux états (à l'arrêt ou en fonctionnement); dans chaque état, la firme possède une option « call américaine » sur l'autre état et le passage d'un état à l'autre est coûteux. Nous supposons que le « spark spread » suit un processus de retour à la moyenne avec changements de régime et nous utilisons des données du marché californien pour notre application empirique. Nous montrons qu'avec la prise en compte des coûts de suspension et de génération d'électricité, il y a un effet d'hystérésis: les seuils de spark spread pour les décisions de produire et d'arrêter la production diffèrent. Nous utilisons ensuite ces règles de fonctionnement à court terme dans une méthodologie basée sur des simulations Monte Carlo pour estimer la valeur de la centrale. Le troisième essai rend plus générale la formulation du modèle de Gaudet et Khadr (1991) en considérant une fonction d'utilité non espérée afin de dériver une généralisation de la règle d'Hotelling. Alors que dans le cadre de l'utilité espérée la différence entre le taux de rendement espéré de l'actif risqué (la ressource non renouvelable) et celui d'un actif certain égale une prime de risque qui ne dépend que du coefficient d'aversion relative au risque et de la covariance entre la consommation et le rendement de l'actif risqué, cela n'est plus vrai avec notre fonction d'utilité plus générale. Nous montrons que la prime de risque dépend alors aussi de l'élasticité de substitution intertemporelle (qui n'est plus nécessairement égale à l'inverse du coefficient d'aversion relative au risque), de l'incertitude de l'utilité indirecte et de l'incertitude de l'utilité marginale de la richesse. La prise en compte de ces paramètres additionnels peut avoir des conséquences importantes. Supposons en effet que l'élasticité de substitution intertemporelle soit suffisamment élevée et que l'incertitude de l'utilité indirecte soit suffisamment faible relativement à celle de l'utilité marginale de la richesse. Alors, même si le consommateur est riscophobe et si la covariance entre la consommation et le rendement de la ressource non renouvelable est positive, il est possible que le consommateur exige une prime pour détenir l'actif risqué. Le taux de rendement espéré de ce dernier est inférieur au taux de rendement certain. Ce résultat est bien entendu exclu dans le cas de l'utilité espérée. / Using tools from mathematical finance and economic theory, this thesis studies the impact of uncertainty and irreversibility on decision-making related to the management of pollution, energy production, and the extraction of a non-renewable resource. It consists of three essays. The first essay analyzes the decision to invest to reduce the emissions of a stock pollutant under two types of uncertainty: economic (emissions are stochastic because of changes in economic activity) and environmental (which affects directly the stock of pollutant). A number of recent papers find that the decision to invest to reduce the emissions of a stock pollutant should be delayed in the presence of sunk costs and uncertainty. Using concepts from the theory of Real Options, we formulate a social planning problem in continuous time, derive the corresponding optimal stopping rule, and show that when economic or environmental uncertainty is large enough, it is optimal to invest immediately to reduce emissions. These results have implications for the management of stock pollutants and particularly for global warming. The second essay is concerned with the valuation of energy generating assets in a deregulated electricity market. The recent wave of deregulation initiatives in the electricity industry has created the need to value energy-generating assets in an uncertain environment in order to facilitate their sale. However, a number of authors have noted discrepancies between valuations predicted by a conventional cost-benefit approach and observed transactions. In this chapter, I analyze the importance of explicitly accounting for technological constraints in the generation process by modeling the decision to start and stop the production of electricity by a gas-powered plant. With the inclusion of these constraints, the generator may be in two different states, idle or generating electricity. In either state its operator has a call option to switch to the other state. These options depend on the spark spread (the difference between the price of electricity and the price of the fuel used to generate it, adjusted for equivalent units), which is assumed to follow a mean reverting process with regime changes. I use data from the California deregulated market to estimate the thresholds for starting and stopping production. These results are entered in a simple simulation framework to estimate the value of the electricity-generating asset in a competitive market. I find significant differences between a standard cost-benefit analysis and this Real Options approach. In my third essay, I derive a testable form of the price dynamics of a non-renewable natural resource in the context of a general equilibrium portfolio choice model where the representative agent has a non-expected utility function. The non-renewable nature of the resource introduces an element of irreversibility in the portfolio choice. An analog of Hotelling's rule is derived. In an expected utility framework, the difference between the rate of return of the risky asset (the non-renewable resource) and that of the riskless one equals a risk premium that depends only on the coefficient of relative risk aversion and the covariance between consumption and the return of the risky asset. I show that with this more general specification of the utility function, the risk premium depends also on the instantaneous elasticity of substitution (IES, which is not necessarily equal to the inverse of the coefficient of relative risk aversion), the uncertainty of the indirect utility function and the uncertainty of the marginal utility of wealth. These results have important consequences. If the IES is large enough and if the uncertainty of the indirect utility function is small enough, a risk-averse consumer may be willing to pay a premium to hold the risky asset even though the covariance between its return and consumption is positive. This case is of course excluded in the expected utility framework.

Énergie renouvelable, centrale diesel, transition énergétique, Nunavik, Arctique, Canada, Nord du Québec, Inuit, Autochtones, Premières Nations, cogestion, gouvernance, participation autochtone, milieux éloignés, développement régional, relations de pouvoir Le territoire du Nunavik, majoritairement habitée par les Inuits, est approvisionné en énergie à près de 100 % par des produits pétroliers. Depuis le développement hydroélectrique à la baie James et la suspension du projet Grande-Baleine, le contexte énergétique de cette région n’avait toujours pas été analysé en dépit des bouleversements sociopolitiques que ces projets avaient entrainés chez les Autochtones. Ce manque d’intérêt pour cette question est surprenant considérant l’intensité de l’activité minière qui est anticipée dans la vision du Plan Nord et des engagements répétés du gouvernement du Québec et d’Hydro-Québec à réaliser la conversion des centrales thermiques et à mener des projets en partenariat avec les Autochtones. Par une analyse géopolitique, l’objectif de cette recherche était de répondre à ces questionnements. Quels sont les projets énergétiques réalisés, valorisés et envisagés depuis 1994 pour le Nunavik? Comment les engagements et les orientations des gouvernements et d'Hydro-Québec, en matière d’énergie au Nunavik, ont-ils été mis en oeuvre? Les représentations et préoccupations de certains acteurs sont-elles davantage prises en compte dans les projets identifiés et réalisés? Quelle est la participation des Inuits dans les décisions? Les données proviennent d’entrevues semi-dirigées, une analyse de documents institutionnels, du cadre juridique et réglementaire, bonifié par un stage professionnel au sein du ministère de l’Énergie et des Ressources naturelles du Québec. Les résultats démontrent que la stratégie énergétique est tournée vers les énergies renouvelables de plus petite envergure, mais les grands ouvrages hydroélectriques ne sont pas pour autant délaissés. Les structures permettent aux Inuits d’être représentés dans les décisions, sans toutefois leur attribuer un réel contrôle. Il se dégage de notre analyse que l’expertise, le cadre législatif et des rivalités au sein même de la société inuite nuisent à une plus grande participation et autonomie des Inuits dans les projets. / Renewable energy, diesel power generation, Energy transition, Nunavik, Arctic, Canada, North of Quebec, Inuit, Aboriginals, First Nations, comanagement, governance, aboriginal participation, remote area, regional development, power relations The territory of Nunavik, mainly inhabited by the Inuit, is almost exclusively supplied by fossils energies. Ever since the hydroelectric development at James Bay and the suspension of the Grande- Baleine hydroelectric project, the energy sociopolitical environment in Nunavik had not been analyzed despite the socio-political upheaval that these projects had caused for Indigenous groups. The lack of interest in this issue is surprising considering the intensity of mining activity that is anticipated in the Plan Nord vision, and the repeated government and Hydro-Québec commitments to convert thermal power stations and to carry out projects in partnership with Aboriginal people. Carried out through a geopolitical analysis, the objective of this research was to answer the following questions. What are the energy projects developed, promoted and considered since 1994 for Nunavik? How the government and Hydro-Québec commitments and orientations, in regard to energy, have been implemented in Nunavik? Are the representations and concerns of certain actors more taken into account in the projects? How are the Inuit involved in decisions? Data are from from semi-structured interviews, institutional documents, the legal framework, improved by an internship within the Quebec Ministry of Energy and Natural Resources. The results show that the energy strategy is focused on smaller renewable energies, but large hydropower projects are not neglected. Structures allow Inuit to be represented in decisions without giving them real control. Our analysis reveals that the expertise, the legal framework and rivalries, within Inuit society, undermine the greater participation and autonomy of Inuit in projects.

Le Traité de Marrakech stipule que le commerce et le développement économique devraient être orientés de manière à permettre l’utilisation optimale des ressources mondiales, conformément à l’objectif de développement durable. Combiné aux dispositions du Protocole de Kyoto et du Traité de Copenhague, les gouvernements poursuivent de politiques nationales favorisant les producteurs nationaux au détriment des étrangers. Cette mémoire propose une analyse des règles de l’OMC, dans le but de déterminer les mesures disciplinaires possibles contre le Canada à l'égard de ses mécanismes de support de l’énergie renouvelable. Une analyse des règles énoncées dans le GATT, l’Accord sur les subventions et les mesures compensatoires et divers accords multilatéraux conclus dans le cadre de l’OMC permet de déterminer si elles pourraient s’appliquer aux mécanismes de support de l’énergie renouvelable. Une analyse des programmes du Québec et de l’Ontario permet une prise de position quant à leur conformité aux règles commerciales de l’OMC. / The Marrakesh Agreement’s preamble states that trade and economic development should be conducted to allow for the optimal use of the world’s resources in accordance with the objective of sustainable development. This, combined with the provisions of the Kyoto Protocol and Copenhagen Accord, allows governments to pursue their domestic policies in such a way as to unfairly favor domestic producers over foreign ones. This thesis provides a review of WTO law to assess the potential for disciplinary measures against Canada with regard to renewable energy support mechanisms. An analysis of the rules outlined in the GATT, the Agreement on Subsidies and Countervailing Measures and various other WTO multilateral agreements allows us to determine whether such rules can apply to renewable energy support mechanisms. Furthermore, an analysis of the programs in support of renewable energy production available in Québec and Ontario sheds light on such mechanisms’ compliance with WTO trade rules.

Cette thèse est composée de trois articles en économie des ressources naturelles non-renouvelables. Nous considérons tour à tour les questions suivantes : le prix in-situ des ressources naturelles non-renouvelables ; le taux d’extraction optimal et le prix des res- sources non-renouvelables et durables. Dans le premier article, nous estimons le prix in-situ des ressources naturelles non-renouvelables en utilisant les données sur le coût moyen d’extraction pour obtenir une approximation du coût marginal. En utilisant la Méthode des Moments Généralisés, une dynamique du prix de marché derivée des conditions d’optimalité du modèle d’Hotelling est estimée avec des données de panel de 14 ressources naturelles non-renouvelables. Nous trouvons des résultats qui tendent à soutenir le modèle. Premièrement, le modèle d’Hotelling exhibe un bon pouvoir explicatif du prix de marché observé. Deuxièmement, bien que le prix estimé présente un changement structurel dans le temps, ceci semble n’avoir aucun impact significatif sur le pouvoir explicatif du modèle. Troisièmement, on ne peut pas rejeter l’hypothèse que le coût marginal d’extraction puisse être approximé par les données sur le coût moyen. Quatrièmement, le prix in-situ estimé en prenant en compte les changements structurels décroît ou exhibe une forme en U inversé dans le temps et semble être corrélé positivement avec le prix de marché. Cinquièmement, pour neuf des quatorze ressources, la différence entre le prix in-situ estimé avec changements structurels et celui estimé en négligeant les changements structurels est un processus de moyenne nulle. Dans le deuxième article, nous testons l’existence d’un équilibre dans lequel le taux d’extraction optimal des ressources non-renouvelables est linéaire par rapport au stock de ressource en terre. Tout d’abord, nous considérons un modèle d’Hotelling avec une fonction de demande variant dans le temps caractérisée par une élasticité prix constante et une fonction de coût d’extraction variant dans le temps caractérisée par des élasticités constantes par rapport au taux d’extraction et au stock de ressource. Ensuite, nous mon- trons qu’il existe un équilibre dans lequel le taux d’extraction optimal est proportionnel au stock de ressource si et seulement si le taux d’actualisation et les paramètres des fonctions de demande et de coût d’extraction satisfont une relation bien précise. Enfin, nous utilisons les données de panel de quatorze ressources non-renouvelables pour vérifier empiriquement cette relation. Dans le cas où les paramètres du modèle sont supposés invariants dans le temps, nous trouvons qu’on ne peut rejeter la relation que pour six des quatorze ressources. Cependant, ce résultat change lorsque nous prenons en compte le changement structurel dans le temps des prix des ressources. En fait, dans ce cas nous trouvons que la relation est rejetée pour toutes les quatorze ressources. Dans le troisième article, nous étudions l’évolution du prix d’une ressource naturelle non-renouvelable dans le cas où cette ressource est durable, c’est-à-dire qu’une fois extraite elle devient un actif productif détenu hors terre. On emprunte à la théorie de la détermination du prix des actifs pour ce faire. Le choix de portefeuille porte alors sur les actifs suivant : un stock de ressource non-renouvelable détenu en terre, qui ne procure aucun service productif ; un stock de ressource détenu hors terre, qui procure un flux de services productifs ; un stock d’un bien composite, qui peut être détenu soit sous forme de capital productif, soit sous forme d’une obligation dont le rendement est donné. Les productivités du secteur de production du bien composite et du secteur de l’extraction de la ressource évoluent de façon stochastique. On montre que la prédiction que l’on peut tirer quant au sentier de prix de la ressource diffère considérablement de celle qui découle de la règle d’Hotelling élémentaire et qu’aucune prédiction non ambiguë quant au comportement du sentier de prix ne peut être obtenue de façon analytique. / This thesis consists of three articles on the economics of nonrenewable natural re- sources. We consider in turn the following questions : the in-situ price of nonrenewable natural resources, the optimal extraction rate and the price of nonrenewable and durable resources. The purpose of the first article is to estimate the in-situ price of nonrenewable natural resources using average extraction cost data as proxy for marginal cost. Using the regime switching Generalized Method of Moments (GMM) estimation technique, a dynamic of the market price derived from the first-order conditions of a Hotelling model is estimated with panel data for fourteen nonrenewable resources. I find results that tend to support the model. First, it appears that the Hotelling model has a good explanatory power of the observed market prices. Second, although the fitted prices seem to be subject to structural breaks over time, this does not have a significant impact on the explanatory power of the model. Third, there is evidence that marginal extraction cost can be approximated by average extraction cost data. Fourth, when allowing for structural breaks, estimates of the in-situ price decrease or exhibit an inverted U-shape over time and appear to be positively correlated with the market price. Fifth, for nine of the fourteen minerals, the difference between the estimates of the in-situ price with and without allowing for structural breaks is a zero-mean process.

Le souhait d’augmenter la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique entraine une augmentation des parts des énergies volatiles et non pilotables, et rend donc l’équilibre offre-demande difficile à satisfaire. Une façon d’intégrer ces énergies dans le réseau électrique actuel est d’utiliser de petits moyens de production, de consommation et de stockage répartis sur tout le territoire pour compenser les sous ou sur productions. Afin que ces procédés puissent être intégrés dans le processus d’équilibre offre-demande, ils sont regroupés au sein d’une centrale virtuelle d’agrégation de flexibilité, qui est vue alors comme une centrale virtuelle. Comme pour tout autre moyen de production du réseau, il est nécessaire de déterminer son plan de production. Nous proposons dans un premier temps dans cette thèse une architecture et un mode de gestion pour une centrale d’agrégation composée de n’importe quel type de procédés. Dans un second temps, nous présentons des algorithmes permettant de calculer le plan de production des différents types de procédés respectant toutes leurs contraintes de fonctionnement. Et enfin, nous proposons des approches pour calculer le plan de production de la centrale d’agrégation dans le but de maximiser son gain financier en respectant les contraintes réseau. / The desire to increase the share of renewable energies in the energy mix leads to an increase inshare of volatile and non-controllable energy and makes it difficult to meet the supply-demand balance. A solution to manage anyway theses energies in the current electrical grid is to deploy new energy storage and demand response systems across the country to counter balance under or over production. In order to integrate all these energies systems to the supply and demand balance process, there are gathered together within a virtual flexibility aggregation power plant which is then seen as a virtual power plant. As for any other power plant, it is necessary to compute its production plan. Firstly, we propose in this PhD thesis an architecture and management method for an aggregation power plant composed of any type of energies systems. Then, we propose algorithms to compute the production plan of any types of energy systems satisfying all theirs constraints. Finally, we propose an approach to compute the production plan of the aggregation power plant in order to maximize its financial profit while complying with all the constraints of the grid.

La raréfaction des sources de production conventionnelles et leurs émissions nocives ont favorisé l’essor notable de la production renouvelable, plus durable et mieux répartie géographiquement. Toutefois, son intégration au système électrique est problématique. En effet, la production renouvelable est peu prédictible et issue de sources majoritairement incontrôlables, ce qui compromet la stabilité du réseau, la viabilité économique des producteurs et rend nécessaire la définition de solutions adaptées pour leur participation au marché de l’électricité. Dans ce contexte, le projet scientifique Winpower propose de relier par un réseau à courant continu les ressources de plusieurs acteurs possédant respectivement des fermes éoliennes offshore (acteurs EnR) et des centrales de stockage de masse (acteurs CSM). Cette configuration impose aux acteurs d’assurer conjointement la gestion du réseau électrique.Nous supposons que les acteurs participent au marché comme une entité unique : cette hypothèse permet aux acteurs EnR de tirer profit de la flexibilité des ressources contrôlables pour minimiser le risque de pénalités sur le marché de l’électricité, aux acteurs CSM de valoriser leurs ressources auprès des acteurs EnR et/ou auprès du marché et à la coalition de faciliter la gestion des déséquilibres sur le réseau électrique, en agrégeant les ressources disponibles. Dans ce cadre, notre travail s’attaque à la problématique de la participation au marché EPEX SPOT Day-Ahead de la coalition comme une centrale électrique virtuelle ou CVPP (Cooperative Virtual Power Plant). Nous proposons une architecture de pilotage multi-acteurs basée sur les systèmes multi-agents (SMA) : elle permet d’allier les objectifs et contraintes locaux des acteurs et les objectifs globaux de la coalition.Nous formalisons alors l’agrégation et la planification de l’utilisation des ressources comme un processus décisionnel de Markov (MDP), un modèle formel adapté à la décision séquentielle en environnement incertain, pour déterminer la séquence d’actions sur les ressources contrôlables qui maximise l’espérance des revenus effectifs de la coalition. Toutefois, au moment de la planification des ressources de la coalition, l’état de la production renouvelable n’est pas connue et le MDP n’est pas résoluble en l’état : on parle de MDP partiellement observable (POMDP). Nous décomposons le POMDP en un MDP classique et un état d’information (la distribution de probabilités des erreurs de prévision de la production renouvelable) ; en extrayant cet état d’information de l’expression du POMDP, nous obtenons un MDP à état d’information (IS-MDP), pour la résolution duquel nous proposons une adaptation d’un algorithme de résolution classique des MDP, le Backwards Induction.Nous décrivons alors un cadre de simulation commun pour comparer dans les mêmes conditions nos propositions et quelques autres stratégies de participation au marché dont l’état de l’art dans la gestion des ressources renouvelables et contrôlables. Les résultats obtenus confortent l’hypothèse de la minimisation du risque associé à la production renouvelable, grâce à l’agrégation des ressources et confirment l’intérêt de la coopération des acteurs EnR et CSM dans leur participation au marché de l’électricité. Enfin, l’architecture proposée offre la possibilité de distribuer le processus de décision optimale entre les différents acteurs de la coalition : nous proposons quelques pistes de solution dans cette direction. / Renewable Energy Sources (RES) has grown remarkably in last few decades. Compared to conventional energy sources, renewable generation is more available, sustainable and environment-friendly - for example, there is no greenhouse gases emission during the energy generation. However, while electrical network stability requires production and consumption equality and the electricity market constrains producers to contract future production a priori and respect their furniture commitments or pay substantial penalties, RES are mainly uncontrollable and their behavior is difficult to forecast accurately. De facto, they jeopardize the stability of the physical network and renewable producers competitiveness in the market. The Winpower project aims to design realistic, robust and stable control strategies for offshore networks connecting to the main electricity system renewable sources and controllable storage devices owned by different autonomous actors. Each actor must embed its own local physical device control strategy but a global network management mechanism, jointly decided between connected actors, should be designed as well.We assume a market participation of the actors as an unique entity (the coalition of actors connected by the Winpower network) allowing the coalition to facilitate the network management through resources aggregation, renewable producers to take advantage of controllable sources flexibility to handle market penalties risks, as well as storage devices owners to leverage their resources on the market and/or with the management of renewable imbalances. This work tackles the market participation of the coalition as a Cooperative Virtual Power Plant. For this purpose, we describe a multi-agent architecture trough the definition of intelligent agents managing and operating actors resources and the description of these agents interactions; it allows the alliance of local constraints and objectives and the global network management objective.We formalize the aggregation and planning of resources utilization as a Markov Decision Process (MDP), a formal model suited for sequential decision making in uncertain environments. Its aim is to define the sequence of actions which maximize expected actual incomes of the market participation, while decisions over controllable resources have uncertain outcomes. However, market participation decision is prior to the actual operation when renewable generation still is uncertain. Thus, the Markov Decision Process is intractable as its state in each decision time-slot is not fully observable. To solve such a Partially Observable MDP (POMDP), we decompose it into a classical MDP and an information state (a probability distribution over renewable generation errors). The Information State MDP (IS-MDP) obtained is solved with an adaptation of the Backwards Induction, a classical MDP resolution algorithm.Then, we describe a common simulation framework to compare our proposed methodology to some other strategies, including the state of the art in renewable generation market participation. Simulations results validate the resources aggregation strategy and confirm that cooperation is beneficial to renewable producers and storage devices owners when they participate in electricity market. The proposed architecture is designed to allow the distribution of the decision making between the coalition’s actors, through the implementation of a suitable coordination mechanism. We propose some distribution methodologies, to this end.

Dans cette thèse, je discute deux questions autour de la transition énergétique : comment définir une stratégie face aux nombreuses incertitudes et aux inerties des systèmes, et quels sont impacts sur l’emploi de cette transition ?Pour étudier le choix d’une stratégie, je m’intéresse au cas du secteur électrique français. Les réacteurs nucléaires arrivent au terme de leur durée de vie initiale, mais ils peuvent être rénovés moyennant un investissement estimé à 100 milliards d'euros pour l'ensemble du parc. Combien de centrales faut-il rénover ? En mobilisant un modèle d'optimisation et la méthode de \textit{Robust Decision Making}, je montre qu’au vu des estimations actuelles, les stratégies les plus intéressantes consistent à fermer 7 à 14 réacteurs et à les remplacer par des énergies renouvelables.Sur le volet de l’emploi, je m’intéresse tout d’abord à la notion de contenu en emploi. Je propose une méthodologie nouvelle permettant de décomposer ce contenu, afin de mettre en évidence, pour chaque branche économique, l’importance relative de ses constituants : les taux d’importations, les taxes et subventions, la part du travail dans la valeur ajoutée et le niveau de salaire. J'étudie ensuite l’impact d’une réallocation des investissements vers des secteurs bas-carbone à l'aide de modèles d'équilibre général, dont j'explicite les mécanismes économiques sous-jacents.Mes résultats indiquent qu'encourager les secteurs avec une forte part du travail dans la valeur ajoutée ou de faibles salaires permet de créer de l'emploi, mais ils nuancent les bénéfices à encourager des secteurs peu importateurs. / This thesis deals with two aspects of the transition towards a low-carbon economy: how to define a strategy under the uncertainties and inertia surrounding power systems, and what are the impacts of this transition on employment?To study the choice of a strategy, I focus on the case of the French power system. The 58 nuclear reactors are reaching the end of their initially planned lifetime, but they can be retrofitted for a cost estimated at a \euro 100 billion for the entire fleet. How many reactors should be retrofitted? I study this question using an optimization model of the French power system and the \textit{Robust Decision Making} framework. My results indicate that the most interesting strategies consist in closing 7 to 14 reactors in favor of renewable energies, given current estimates.As to employment impacts, I study the notion of employment content and offer an original methodology to break it down and understand the relative importance of four components: import rates, taxes and subsidies, the share of labour in value added and the level of wage.Then, I study the employment impacts of shifting investment towards low-carbon sectors with general equilibrium models, and highlight their underlying economic mechanisms.My results suggest that encouraging sectors with a high share of labor or low wages might increase employment, but they also challenge the benefits of targeting sectors with a low import rate.

Le Traité de Marrakech stipule que le commerce et le développement économique devraient être orientés de manière à permettre l’utilisation optimale des ressources mondiales, conformément à l’objectif de développement durable. Combiné aux dispositions du Protocole de Kyoto et du Traité de Copenhague, les gouvernements poursuivent de politiques nationales favorisant les producteurs nationaux au détriment des étrangers. Cette mémoire propose une analyse des règles de l’OMC, dans le but de déterminer les mesures disciplinaires possibles contre le Canada à l'égard de ses mécanismes de support de l’énergie renouvelable. Une analyse des règles énoncées dans le GATT, l’Accord sur les subventions et les mesures compensatoires et divers accords multilatéraux conclus dans le cadre de l’OMC permet de déterminer si elles pourraient s’appliquer aux mécanismes de support de l’énergie renouvelable. Une analyse des programmes du Québec et de l’Ontario permet une prise de position quant à leur conformité aux règles commerciales de l’OMC. / The Marrakesh Agreement’s preamble states that trade and economic development should be conducted to allow for the optimal use of the world’s resources in accordance with the objective of sustainable development. This, combined with the provisions of the Kyoto Protocol and Copenhagen Accord, allows governments to pursue their domestic policies in such a way as to unfairly favor domestic producers over foreign ones. This thesis provides a review of WTO law to assess the potential for disciplinary measures against Canada with regard to renewable energy support mechanisms. An analysis of the rules outlined in the GATT, the Agreement on Subsidies and Countervailing Measures and various other WTO multilateral agreements allows us to determine whether such rules can apply to renewable energy support mechanisms. Furthermore, an analysis of the programs in support of renewable energy production available in Québec and Ontario sheds light on such mechanisms’ compliance with WTO trade rules.