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N°: 2009 ENAM XXXX MINES ParisTech Centre de Mathématiques Appliquées CS10207 –

N°: 2009 ENAM XXXX MINES ParisTech Centre de Mathématiques Appliquées CS10207 – 1 Rue Claude Daunesse F-06904 Sophia Antipolis Cedex École doctorale n° 84 : Sciences et Technologies de l’Information et de la Communication présentée et soutenue publiquement par Paul HUGUES le 10 mars 2015 Stratégies technologique et réglementaire de déploiement des filières bioénergies françaises Doctorat ParisTech T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par l’École nationale supérieure des mines de Paris Spécialité “ Contrôle, Optimisation, Prospective ” Directeur de thèse : Mme Nadia MAÏZI Maître de thèse : M. Edi ASSOUMOU Co-encadrement de la thèse : MM. Julien ROUSSEAU et Jean-François ROUS T H È S E Jury M. Bruno JARRY, Professeur, Commission Biotechnologie, Académie des Technologies Président M. Frédéric LANTZ, Professeur, Centre Économie et Gestion, IFP School Rapporteur Mme. Nadia MAÏZI, Professeur, Centre de Mathématiques Appliquées, MINES ParisTech Examinateur M. Edi ASSOUMOU, Docteur, Centre de Mathématiques Appliquées, MINES ParisTech Examinateur M. Julien ROUSSEAU, Ingénieur, Direction Innovation et Prospective, Avril Examinateur M. Jean-François ROUS, Directeur, Direction Innovation et Prospective, Avril Examinateur 2 3 À mon grand-père Jean, ma famille et mes amis, À Delphine, 4 Remerciements Je remercie tout d’abord les membres du jury qui m’ont fait l’honneur d’évaluer mon travail de thèse et ont accepté de faire le déplacement jusqu’à Sophia Antipolis pour assister à ma soutenance. Je remercie donc M. Frédéric Lantz et M. Bruno Jarry pour le temps qu’ils ont consacré à la lecture de mon manuscrit et à la rédaction de leurs rapports éclairés. Je remercie chaleureusement Julien Rousseau de m’avoir ouvert les portes du monde des biocarburants lors de mon stage de Mastère Spécialisé en Optimisation des Systèmes Énergétiques. Loin d’avoir fait le tour de ce vaste sujet en six mois, je remercie à nouveau Julien mais aussi Jean- François Rous, Edi Assoumou et Nadia Maïzi de m’avoir fait confiance en me proposant ce sujet de thèse sur mesure dans lequel j’ai pu élargir mon champ de recherche et eu l’occasion d’explorer les problématiques transdisciplinaires et multisectorielles des bioénergies. J’ai eu grand plaisir à interagir avec le monde industriel et académique pour tâcher de porter les outils de pointe développés au Centre de Mathématiques Appliquées pour apporter des réponses aux questions stratégiques et prospectives d’Avril. Edi, merci beaucoup pour tes conseils et ta clairvoyance qui m’ont permis d’éviter de nombreux écueils et de mener à bien ce travail unique qu’est une thèse de doctorat. Je te remercie aussi de m’avoir partagé ton savoir et ton expérience dans l’utilisation des modèles TIMES, qui peuvent vite s’avérer inextricables pour le béotien que j’étais. Je te remercie enfin pour ta patience lorsque les livrables écrits mettaient du temps à arriver. J’ai toujours préféré les chiffres aux lettres. À tout le CMA, un immense merci pour votre accueil ! Je souhaite commencer par Catherine qui, au- delà de régler à la vitesse de l’éclair les petits tracas administratifs, a toujours eu une oreille attentive et a su me donner de très bons conseils. Un grand merci Valérie, pour ta relecture minutieuse de mon manuscrit et pour les bons moments passés lors de cette improbable croisière-conférence sur le développement durable. Un grand merci Gilles de m’avoir conseillé de faire cette thèse au sortir du mastère et pour ton aide pour régler les problèmes informatiques et mécaniques que j’ai rencontré. Merci Sandrine pour ton immense gentillesse au quotidien et ton sens de l’organisation hors pair. Merci aux experts de la programmation Sébastien, Evariste, Damien et Jean-Paul qui m’ont permis de développer l’analyse Monte Carlo pour mon modèle de prospective. Merci Sophie de m’avoir partagé ton art de la concision dans la conception des slides de présentation. Travailler avec toi sur le projet « co-combustion » a été un vrai bonheur. Merci Amel pour ta gentillesse et d’avoir fermé les yeux lorsque je dépassais le quota journalier de bonbons. Je tiens aussi adresser une pensée à Marc Bordier, qui est parti trop tôt, et dont les longues discussions passionnées me manquent. Aux doctorantes du passé, Mathilde et Stéph, merci de m’avoir transmis votre dextérité à manier VEDA- FE, VEDA-BE, ainsi que les tableaux croisés dynamiques. Aux docteurs du futur, Elena, Seungwoo, Jérôme et Gratien, je vous souhaite du courage et de profiter un maximum de ce joli coin de France. Enfin, aux gais lurons du bureau E209, Francesc, Seb et Vincent, sachez que vous allez bien bien me manquer même si je ne regretterai pas le fumet musqué de fin d’aprem (et rien à voir avec le fait que je sois blond vénitien) ! Avec qui est-ce que je vais bien pouvoir refaire le monde ? Force et honneur pour vos fins de thèse, restez frais et bien formés, funs et bigarrés ! Je pense aussi à mes collègues chez Sofiprotéol, qui est depuis devenu le groupe Avril. Merci à Francis, l’encyclopédie de la biomasse, à Raphaël, docteur ès économie en crise et à Julien, le roi du 5 CASI et lobbyiste en chef pour les salades Mongoo. Merci pour tous ces bons moments passés en votre compagnie. J’ai eu l’honneur et le plaisir de partager mon bureau avec Philomène, puis Virginie, et enfin Luc. Merci de m’avoir expliqué vos métiers et merci pour les échanges que nous avons eu au quotidien. Comment ne pas remercier mon cher Romdu ? Ta bonne humeur permanente à la coloc de Gigi City Bitch m’ont permis de supporter avec le sourire les déboires récurrents du RER A + RER B. Les innombrables parties de Seven Wonders à toute heure du jour et de la nuit sur notre tapis moumouté rouge resteront un souvenir inoubliable. À tous mes autres potes de PC – Cam, Mac, AC, Clemdu, Tom, Fab, Renaud – un grand merci pour votre soutien moral. À tous mes potes d’Aix, Louito qui m’a en plus fait le plaisir de venir à ma soutenance, Poloy, Vinc, Max, Axoul et Alex, un grand merci de m’avoir permis de prendre du recul sur mon travail. À tous les potes du mastère, Bartek, Fabien, Miguel, Matthieu, PJ et Teddy, un grand merci de m’avoir aéré l’esprit par des voyages à travers l’Europe et par l’ascension des cols les plus redoutables. À Ali, Massiel, Ghina et Gab, un grand merci pour les chouettes moments passés sur la Côte d’Azur et un énorme merci à tous les habitants de la Maison du Bonheur passés et actuels. Que de belles soirées et de superbes sorties dans l’arrière-pays resteront dans ma mémoire. Il ne manque que des poules ! Je tiens également à remercier mes parents qui ont toujours cru en moi, et aux discussions passionnantes sur mon sujet de thèse, ou pas, avec mes sœurs Marion, Anne et Alix et mon frère Rémi. Merci aussi à mes grands-parents pour leurs attentions. Enfin, je remercie mille fois Delphine, qui a été mon rayon de soleil depuis deux ans et deux mois, et qui m’a donné le courage de mener à bien cet exercice si particulier qu’est la thèse. 6 Table des matières TABLE DES MATIERES 6 TABLE DES FIGURES 10 TABLE DES ENCADRES 13 TABLE DES TABLEAUX 13 NOMENCLATURE 15 BIBLIOGRAPHIE DE LA NOMENCLATURE 16 INTRODUCTION 17 1. STRUCTURE DU DOCUMENT 19 2. CONTRIBUTIONS 20 BIBLIOGRAPHIE DE L’INTRODUCTION 20 CHAPITRE 1 : LES BIOENERGIES EN FRANCE ET LEURS ENJEUX – FILIERES D’AUJOURD’HUI ET SYSTEMES TECHNIQUES DE DEMAIN 21 SOMMAIRE 21 INTRODUCTION 22 1. LES FILIERES BIOMASSE POUR L’ENERGIE AUJOURD’HUI 23 1.1 LA BIOMASSE DANS LE MIX ENERGETIQUE FRANÇAIS 23 1.2 CADRE LEGISLATIF ET MECANISMES INCITATIFS EN FRANCE 25 1.3 LA FILIERE BOIS 30 1.4 LA FILIERE BIOCARBURANT 35 1.5 LA FILIERE BIOGAZ 44 2. LES SYSTEMES TECHNIQUES DE DEMAIN 46 2.1 LES POINTS DE CONTROVERSE ACTUELS 46 2.2 SYSTEMES DE CONVERSION EN CHALEUR ET EN ELECTRICITE 50 2.3 SYSTEMES DE CONVERSION EN BIOCARBURANTS LIQUIDES 51 2.4 SYSTEMES DE CONVERSION EN BIOCARBURANTS GAZEUX 61 CONCLUSIONS 63 BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 1 65 CHAPITRE 2 : MODELISATION PROSPECTIVE DU SECTEUR BIOENERGIES FRANÇAIS 71 SOMMAIRE 71 INTRODUCTION 72 1. CHOIX ET PRESENTATION DE L’APPROCHE PROSPECTIVE 73 1.1 QUELLE APPROCHE RETENIR ? 73 7 1.2 L’APPROCHE TIMES 74 2. DESCRIPTION DU MODELE BIOENERGIE FRANÇAIS 81 2.1 PERIMETRES DU MODELE ET SYSTEME ENERGETIQUE DE REFERENCE 81 2.2 LES RESSOURCES BIOMASSE, LEURS COUTS ET LEURS DISPONIBILITE 82 2.3 TECHNOLOGIES DE PRODUCTION DE BIOENERGIES 99 2.4 LES IMPORTATIONS DE BIOCARBURANTS 117 2.5 MODELISATION DE LA DEMANDE 119 CONCLUSIONS 121 BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 2 123 CHAPITRE 3 : QUELLES RESSOURCES ET QUELLES TECHNOLOGIES POUR REPONDRE A QUEL NIVEAU DE DEMANDE ? ANALYSE DE SCENARIOS CONTRASTES 128 SOMMAIRE 128 INTRODUCTION 129 1. SCENARIOS D’EVOLUTION DES DEMANDES 130 2. SCENARIOS D’EVOLUTION DE LA DISPONIBILITE DES RESSOURCES 132 2.1 RESSOURCES AGRICOLES METROPOLITAINES 132 2.2 RESSOURCES FORESTIERES METROPOLITAINES 134 3. PRODUCTION DE BIOENERGIES EN FONCTION DES RESSOURCES METROPOLITAINES DISPONIBLES 134 3.1 INFLUENCE DE LA DISPONIBILITE DES RESSOURCES AGRICOLES ET FORESTIERES METROPOLITAINES 134 3.2 MAXIMISATION SUCCESSIVE DE LA PRODUCTION DE CHALEUR, D’ELECTRICITE PUIS DE BIOCARBURANTS 138 4. INFLUENCE DES COURBES D’APPRENTISSAGE, FOCUS SUR LE SECTEUR DES BIOCARBURANTS 140 CONCLUSIONS uploads/Geographie/ 2015enmp0003.pdf