Mondelling long term energy consumption of French residential sector - improving behavioral realism and simulating ambitious scenarios.
Modélisation des consommations d'énergie du secteur résidentiel français à long terme - Amélioration du réalisme comportemental et scénarios volontaristes
Résumé
This thesis aims to integrate components of an economic model of the behaviors of households in a technological model of French residential sector energy consumption dynamics and to analyze the consequences of this integration on the results of long-term residential energy consumption simulations (2030-2050). The results of this work highlight significant differences between the actual household space heating energy consumptions and those estimated by engineering models. These differences are largely due to the elasticity of thermal comfort demand to thermal comfort price. Our improved model makes it possible to conjointly integrate the concepts of price elasticity and rebound effect (the increase in energy service level following an improvement in energy performance of the equipment providing the service) in a daily behavior model. Regarding space heating consumption, the consequences of this behavioral adaptation - combined with some technical defects - are a significant reduction of the technical and behavorial energy saving potentials (while effective daily use of energy is generally lower than predicted by engineering models) at a national level. This implies that mid and long-term national energy policy targets (a 38% drop in primary energy consumption by 2020 and a reduction in greenhouse gas emissions by a factor of 4 by 2050 compared to the 1990 level) will be harder to reach than previously expected for the residential sector. These results also imply that a strong reduction in carbon emissions cannot be achieved solely through the diffusion of efficient technologies and energy conservation behavior but also requires to significantly lower the average carbon content of residential space heating energy through the generalized use of wood energy. The second issue addressed in this thesis is the influence of the resolution of a techno-economic model (i.e. its ability to represent the various values that a variable can have within the modeled system) on its results. Simulation results show that the modeling of the distributions instead of the average values of variables changes both the estimations of total energy consumption of dwelling stock and the dynamics of this consumption. The comparison of refurbishment market modeling in engineering and econometric models shows that a part of the heterogeneity of the market is not accounted for in engineering models. If the economic context encourages the diffusion of energy efficient or low-carbon technologies (for instance in the case of a significant carbon tax) then adding market heterogeneity in engineering models implies more pessimistic simulation results regarding energy consumption reduction and GHG abatements. The model of French residential energy consumption dynamics that was developed during the thesis (BEUS) has been applied to various foresight studies. A progressive tariff (or tier pricing) on electricity has been modeled and its effects on demand have been simulated. When applied, this tariff causes a switch from electricity-based heating systems to more carbon intensive ones. In order to avoid this unwanted effect of progressive tariff, an extension of this tariff structure to all energies has been modeled and simulated, as well as the fiscal equivalent of this measure: a bonus-malus for sustainable energy consumption. The simulations - made in a simplified regulatory environment - show that these measures could accelerate the transition of existing housing stock to a lower level of energy consumption and GHG emissions.
Cette thèse a pour objectif d'intégrer une représentation économique des comportements des ménages dans un cadre de modélisation technologique de la dynamique des consommations énergétiques du secteur résidentiel français, et d'en analyser les implications dans le cadre d'exercices prospectifs de long terme (2030-2050). Les travaux réalisés ont permis de mettre en relief des écarts importants entre les consommations réelles de chauffage résidentiel et l'estimation qui en est faite par des modèles dits d'ingénieur (thermique du bâtiment). Ces écarts sont en grande partie dus à l'élasticité de la demande de confort thermique au prix de celui-ci, dont la modélisation permet d'intégrer à la fois les concepts d'élasticité au prix des énergies et d'effet rebond (augmentation du niveau de service après une amélioration de la performance énergétique de l'équipement fournissant celui-ci). Concernant le chauffage individuel, les conséquences de cette adaptation, couplée à certaines malfaçons techniques, sont à la fois une réduction importante du gisement technique d'économie d'énergie et le constat que le gisement d'économies d'énergie associé à la diffusion de pratiques quotidiennes de sobriété énergétique est déjà largement exploité. Ceci implique que l'atteinte d'une division par 4 des émissions de gaz à effet de serre (GES) à l'horizon 2050 dans le secteur résidentiel français ne peut être réalisée uniquement au travers de la diffusion de technologies efficaces et de gestes de sobriété énergétique mais nécessite aussi une baisse significative du contenu carbone moyen du chauffage par une forte pénétration du bois énergie. Le deuxième volet abordé est celui de la représentation de l'hétérogénéité des variables manipulées dans un modèle technico-économique, et de ses implications à la fois sur l'estimation d'une consommation énergétique à un instant donné et sur sa dynamique. Il apparait que la présence d'hétérogénéités biaise l'estimation de la consommation énergétique des usages thermiques sans que la magnitude totale de ce biais puisse être estimée à partir des données disponibles. D'autre part, l'analyse des variables utilisées pour représenter le marché de la rénovation thermique des logements dans les modèles technico-économiques montre que plusieurs sources d'hétérogénéité de ce marché sont généralement omises. Les conséquences de l'ajout d'hétérogénéité dans ces modèles sont une moindre réduction des consommations énergétiques et émissions de GES dans un contexte favorable à la pénétration de technologies énergétiquement efficaces et peu émettrices de GES. Enfin, le modèle de dynamique des consommations énergétiques du parc résidentiel français développé au cours de la thèse (BEUS) a été appliqué à différents exercices prospectifs. En particulier, une tarification progressive de l'électricité a été simulée, dont les résultats révèlent un report des usages thermiques de l'électricité vers des énergies majoritairement plus carbonées. Ceci allant à contre-sens de la trajectoire recherchée de réduction du contenu carbone moyen des énergies de chauffage, un élargissement de ce tarif à toutes les énergies a été étudié et simulé, ainsi que l'équivalent fiscal de cet instrument : un bonus-malus à la consommation d'énergie durable. Les simulations réalisées, dans un environnement régulatoire et des conditions de mise en œuvre simplifiées, indiquent qu'ils permettraient d'accélérer la transition du parc résidentiel actuel vers un niveau plus faible de consommation d'énergie et d'émissions de GES.