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Fiche concise Thèses
Les ménages sous la contrainte carbone : exercice de modélisation prospective des secteurs résidentiel et transports avec TIMES
Cayla J.-M.
PhD thesis. École Nationale Supérieure des Mines de Paris (2011-03-03), Nadia MAIZI (Dir.)
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Jean-Michel Cayla ()1
1 :  CMA - Centre de Mathématiques Appliquées
http://www.cma.ensmp.fr/
MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris
Centre de Mathématiques Appliquées Rue Claude Daunesse BP 207 06904 Sophia Antipolis Cedex
France
Les ménages sous la contrainte carbone : exercice de modélisation prospective des secteurs résidentiel et transports avec TIMES
Households under carbon constraint: modeling residential and transports sectors with TIMES in a prospective context
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.
The energy and political context in France suggests that households would have to deal with a strong constraint of CO2 emissions reduction in the next decades. Many questions then arise: Which technologies would enable this level of emission reduction? What policies should be implemented to achieve such a reduction ? What is the impact of these policies on household budget ? This PhD work tries to answer to these issues thanks to a residential and transports sectors TIMES model, which is a bottom-up model based on an optimization paradigm. This model relies on a highly disaggregated representation of households that allows a largely enhanced level of confidence in the results obtained, compared to other bottom-up models. Moreover, thanks to a survey we have launched among 2000 French households we are able to better design household energy consumption behavior. It is thus possible to take into account the constraints faced by the households and the tradeoffs they make between cost and comfort. This model is very useful for evaluating different policy tools considering their ability to lead to strong reductions and their impact on the household budget. A carbon tax then seems a good way to reduce CO2 emissions and subsidies seem to enhance the impact of the tax and help to reduce its distorting effect on household budget.
Sciences de l'Homme et Société/Economies et finances
Sciences de l'environnement/Environnement et Société
Sciences de l'économie, de la gestion et de la société
03/03/2011

Mines ParisTech
École Nationale Supérieure des Mines de Paris
Economie, organisations, société (EOS) - ED 396
Economie et finance
2011ENMP0011
Français

Nadia MAIZI
Carlo C. JAEGER (Président du jury)
Charles RAUX (Rapporteur)
Mindjid MAIZIA (Rapporteur)
Pierre MATARASSO (Examinateur)
Nadia MAIZI (Examinateur)
Christophe MARCHAND (Examinateur)

Comportement des ménages – Modélisation prospective – MARKAL/TIMES – Résidentiel – Transports – Contrainte carbone
Household behaviour – Prospective modeling – MARKAL/TIMES – Residential – Transports – Carbon constraint
Introduction ......................................................................................................... 6
Chapitre I. La consommation d'énergie dans le secteur résidentiel et le
secteur des transports de passagers ................................................................. 10
1.1 - Quelles sont les avancées nécessaires dans la façon d'aborder la consommation d'énergie
des ménages dans les modèles ? ...................................................................................................... 10
1.1.1 - L'importance de l'aspect comportemental dans la consommation .................................... 10
1.1.2 - Faire le lien entre résidentiel et transports ....................................................................... 11
1.2 - La consommation d'énergie dans le logement ..................................................................... 12
1.2.1 - La demande de chauffage est conditionnée par l'état du parc de logements .................... 14
1.2.2 - Les autres usages énergétiques du logement ..................................................................... 18
1.3 - La consommation d'énergie dans les transports ................................................................. 20
1.3.1 - L'efficacité du parc de voitures augmente mais leur usage également ............................. 22
1.3.2 - Le report modal est bien souvent limité ............................................................................ 25
Chapitre II. Le rôle du comportement des ménages dans la consommation
d'énergie ............................................................................................................. 28
2.1 - La consommation d'énergie au quotidien, du concept d'optimalité à une gestion
imparfaite ........................................................................................................................................ 29
2.1.1 - L'importance sociale de la consommation d'énergie ........................................................ 32
2.1.2 - La gestion quotidienne : un jeu de routines ancrées ......................................................... 36
2.2 - L'achat d'équipements ........................................................................................................... 42
2.2.1 - Des défaillances et barrières de marché nombreuses ....................................................... 43
2.2.2 - Des ménages hétérogènes et des critères de choix multiples ............................................ 46
2.3 - Achat et pratiques de consommation ne sont pas indépendants ........................................ 51
2.3.1 - La notion d'élasticités croisées ......................................................................................... 51
2.3.2 - L'effet rebond .................................................................................................................... 52
2.4 - Des modèles comportementaux réalistes mais complexes ................................................... 57
2.5 - L'approche par les modes de vie : un compromis pragmatique dans la description du
comportement des ménages ............................................................................................................ 65
2.5.1 - Quel lien entre mode de vie et consommation domestique ? ............................................. 65
2.5.1.1 - L'exemple des familles de classe moyenne propriétaires ........................................................ 65
2.5.1.2 - Une caractérisation de la mobilité par les modes de vie .......................................................... 68
4
2.5.2 - Les variables socio-démographiques sont explicatives des ressources et des contraintes en
matière de comportement .............................................................................................................. 72
Chapitre III. Quantification de l'impact du comportement : La contrainte
énergétique liée au revenu ................................................................................ 76
3.1 - Présentation de la méthodologie de l'enquête EDF R&D ................................................... 76
3.2 - Reconstitution de la consommation d'énergie par usage .................................................... 79
3.2.1 - Extraction des consommations d'énergie par usage final en résidentiel ........................... 79
3.2.2 - Reconstitution des consommations d'énergie pour le secteur des transports .................. 84
3.3 - Le budget-énergie des ménages présente de fortes inégalités ............................................. 91
3.3.1 - Des postes budgétaires qui pèsent lourd sur les plus démunis .......................................... 91
3.3.2 - Un facteur de service de chauffage fortement guidé par le revenu.................................... 94
3.4 - Quelle impact du comportement dans la consommation de chauffage ? .......................... 97
3.5 - Les pratiques domestiques: entre intensité de service et gestion de l'énergie ................. 103
3.6 - L'importance du revenu dans l'achat d'équipements....................................................... 107
Chapitre IV. Elaboration d'un modèle TIMES-Ménages pour la France 116
4.1 - Présentation des modèles utilisés en prospective énergétique .......................................... 116
4.1.1 - Bref aperçu historique des modèles et de leur logique de fonctionnement ..................... 116
4.1.2 - Le modèle TIMES/MARKAL ............................................................................................ 119
4.2 - Une description des ménages commune aux secteurs résidentiel et transports .............. 122
4.3 - Modélisation du secteur résidentiel avec TIMES .............................................................. 126
4.3.1 - Segmentation de la demande résidentielle ...................................................................... 126
4.3.2 - Niveaux de demandes utiles............................................................................................. 128
4.3.3 - Achat d'équipements domestiques ................................................................................... 134
4.4 - Modélisation du secteur transports avec TIMES .............................................................. 137
4.4.1 - Segmentation de la demande de transports ..................................................................... 137
4.4.2 - Niveaux de demandes utiles............................................................................................. 139
4.4.3 - Achat de véhicules ........................................................................................................... 140
4.4.4 - Report vers les autre modes de transport ........................................................................ 142
4.4.4.1 - Potentiel de report modal ....................................................................................................... 143
4.4.4.2 - Prix et consommations des transports en commun ................................................................ 144
Chapitre V. Résultats des scénarios " Référence " et " Contrainte facteur
4 " : Quels efforts à fournir ? ......................................................................... 149
5.1 - Hypothèses du scénario de référence Résidentiel-Transports .......................................... 149
5.1.1 - Evolution des demandes unitaires en services énergétiques ........................................... 149
5
5.1.2 - Evolution de la structure des ménages ............................................................................ 151
5.1.3 - Evolution du prix des énergies ........................................................................................ 152
5.1.4 - Hypothèses complémentaires .......................................................................................... 153
5.2 - Résultats du scénario de référence ...................................................................................... 155
5.2.1 - Les parcs de technologies ................................................................................................ 155
5.2.2 - Consommation d'énergie................................................................................................. 159
5.2.3 - Un modèle robuste à des scénarios de prix contrastés ................................................... 161
5.2.4 - Des émissions de CO2 en forte baisse tendancielle ......................................................... 164
5.2.5 - Impact sur le budget des ménages ................................................................................... 165
5.3 - Résultats du scénario " contrainte facteur 4 " ................................................................... 168
5.3.1 - Quels parcs de technologies optimaux pour atteindre le facteur 4 ? .............................. 170
5.3.2 - Répartition des efforts de réduction entre les deux secteurs ........................................... 174
Chapitre VI. Quels outils politiques pour atteindre le facteur 4 ? Et quel
impact sur le budget des ménages ? ............................................................... 177
6.1 - Effet comparé d'une taxe carbone seule et d'une taxe couplée à des subventions ......... 177
6.1.1 - Quel profil de taxe adopter pour atteindre le facteur 4 ? ............................................... 177
6.1.2 - Impact des outils politiques sur le plan des équipements et des consommations ............ 179
6.2 - Les subventions sont un bon moyen de recycler une taxe distorsive ............................... 184
6.3 - Discussion des résultats obtenus ......................................................................................... 188
Conclusion ........................................................................................................ 191
Bibliographie .................................................................................................... 194
Liste des sigles utilisés ..................................................................................... 205
Index des illustrations ..................................................................................... 206
Index des figures ................................................................................................................. 206
Index des tableaux .............................................................................................................. 209
Annexes ............................................................................................................. 210
Annexe 3.1 : Eléments de discussion sur le choix des variables de calage ........................ 210
Annexe 3.2 : Prix des énergies domestiques ...................................................................... 213
Annexe 3.3 : Contenu du questionnaire papier envoyé aux ménages ................................ 215
Annexe 3.4 : Calcul des consommations de chauffage avec la méthode DPE-3CL .......... 230
Annexe 3.5 : Consommations de carburant des véhicules particuliers .............................. 235
Annexe 3.6 : Traitement des variables de l'enquête ........................................................... 238
Annexe 3.7 : Résultats des régressions sur les pratiques de consommation ...................... 240
Annexe 3.8 : Définition des parts budgétaires .................................................................... 241
Annexe 4.1 : Quantification du potentiel de report modal ................................................. 243
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