IMACLIM-R: Outil de modélisation hybride pour la prospective de long-terme Crassous R., Sassi O., Hourcade J.-C., Mathy S., Gitz V., Guivarch C., Saglio A., Waisman H. (crassous@centre-cired.fr) Laboratoire d’Économie Forestière - Nancy 12 septembre 2006

Plan La modélisation hybride : Etat des lieux et enjeux De la rhétorique à la pratique : le modèle IMACLIM-R Présentation du modèle Equilibre statique Evolution dynamique Scénarios de long terme

Plan La modélisation hybride : Etat des lieux et enjeux De la rhétorique à la pratique : le modèle IMACLIM-R Présentation du modèle Equilibre statique Evolution dynamique Scénarios de long terme

Le contexte général actuel de la modélisation de long-terme 1. Des débats internationaux autour des scénarios de long-terme (SRES) : Controverses théoriques : "PPP vs. MER", trajectoires optimales, convergence des PED Insatisfaction des décideurs à propos du contenu des scénarios : Certaines réalités primordiales ne sont jamais prises en compte, comme le secteur informel, le poids des dettes nationales, l'évolution du régime d'échange des capitaux. 2. Une demande toujours très pressante d'expertise sur des scénarios de long-terme à tous les échelons (Banque Mondiale, UE, MIES, EPE, MEDD), et des préoccupations mêlées (énergie, climat, développement) 3. Des pièges à éviter : Prolongement des tendances et multiplication des incertitudes. Somme d’expertises sectorielles et incohérence des visions du monde. 4. Pas de 'révolution' du côté des modèles mais un glissement continu vers des modèles hybrides (SGM, EPPA, Markal-Macro, CIMS,...)

Prospective économique et instruments de planification énergétique Economistes Modèles Macro-économiques de croissance t Capacités de production? Coefficients techniques? Intensité énergétique des services? Ingénieurs Contraintes financières sur les investissements? Dynamique de la demande? t Modèles sectoriels Modules d’allocation de l’investissement et planification à coût minimal Planification du système énergétique Choix technologiques Description technique des propriétés du système énergétique

“Philosophie” de la modélisation hybride : Lien entre les informations techniques, l’analyse macro-économique et le processus de croissance Economistes Modèles Macro-économiques de croissance t - Signaux prix - Montants d’investissement - Taux de profits Capacités de production - Coefficients techniques - Intensité énergétique Ingénieurs t Modèles sectoriels

Enjeu n°1 : la description d'un monde physique plausible Les risques sont liés aux quantités physiques consommées, ils nécessitent un examen attentif du contenu matériel de la croissance La description des marges de manoeuvre techniques, des saturations des besoins ou des dynamiques spécifiques à certains secteurs (transport, énergie, agriculture) ne peut pas se faire à partir de fonctions de production classiques en valeur monétaire. Le dialogue autour des hypothèses et la validation des simulations nécessite de passer par des variables tangibles (au-delà du PIB, VA, Stock de capital...) On cherche à éviter des écueils théoriques et méthodologiques (ppp/mer, valeur du "capital")

Enjeu n°2 : quelle croissance ? Des déterminants de long-terme bien connus... Démographie Productivité (intensification, économies d'échelle, gains d'efficacité, innovation) ...qui se déploient dans un contexte particulier... Règles et ouverture du commerce international Flux de capitaux, contraintes sur le déficit commercial Dynamiques d'épargne et d'investissement ...où les contraintes de court terme peuvent induire des déséquilibres... Anticipations limitées : excès ou insuffisance de capacités, inertie, lock-in Rigidité des salaires : chômage

Technologies : Consommation : Enjeu n°3 : Dématérialisation de l'économie et Changement Structurel… ne tombent pas du ciel !! Ils résultent des interactions entre : Technologies : Quelle productivité ? Quel contenu matériel et efficacité énergétique ?… coefficients input-output Ecart entre les technologies installées et la frontière technologique (choix technologiques et progrès technique) Consommation : Habitudes de consommation ? Faits stylisés pour Transport / Bâtiment / Alimentation / Énergie Augmentation de la part des services : santé, éducation, administration, tourisme Localisation : Lieux de production / Lieux de vie et de consommation : formes des villes, foncier, infrastructures NTIC : substitution aux transports ou induction de mobilité ??

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De la rhétorique à la pratique… (1) Une architecture récursive et modulaire : succession d'équilibres statiques liés par des relations dynamiques L'équilibre général statique garantit la cohérence macroéconomique des "points de passage" de l'économie Les relations dynamiques explicites assurent la cohérence du triptyque investissements / technologies / infrastructures Les interactions reproduisent la mécanique endogène de la croissance. La scénarisation de LT ne relève plus seulement d'une combinatoire d'hypothèses

De la rhétorique à la pratique… (1) : Une architecture récursive et modulaire : succession d'équilibres statiques liés par des relations dynamiques Electricity, Fossil fuels Land-use Transport

De la rhétorique à la pratique… (1) : Une architecture récursive et modulaire : succession d'équilibres statiques liés par des relations dynamiques Équilibre statique sous contraintes de court-terme Electricity, Fossil fuels Land-use Transport

Évolutions des contraintes De la rhétorique à la pratique… (1) : Une architecture récursive et modulaire : succession d'équilibres statiques liés par des relations dynamiques Équilibre statique sous contraintes de court-terme Electricity, Fossil fuels Land-use Transport Évolutions des contraintes

De la rhétorique à la pratique… (2) 2. Le choix de variables "supports" pour le dialogue : Une description de l'économie en quantités physiques et en prix relatifs Des variables "tangibles" : capacités de production physique, coefficients techniques i/o, coûts d'investissement, passagers-kilomètres, coût d'extraction du baril de pétrole, besoin en transport international des importations… Un objectif de réalisme global pour rendre compte des enjeux majeurs : coûts de transport, marchés internationaux, ressources fossiles, balance des paiements et dette…

De la rhétorique à la pratique… (3) 3. Des mécanismes majeurs pour décrire les potentiels et les coûts de changement de trajectoire : Inertie des équipements (production, demande finale), des techniques encapsulées, des habitudes de consommation, des infrastructures Mécanismes d'ajustement de court-terme et évolutions de long-terme : la nature des anticipations et la forme des institutions sont au cœur du problème Induction de la demande par les infrastructures et le changement technique (cf. C-T-L)

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Équilibre statique sous contraintes Équilibre statique sous contraintes de court-terme Electricity, Fossil fuels Land-use Transport Évolutions des contraintes

Équilibre statique sous contraintes Ménages Fonction d'utilité prix salaires demande finale taxes Exportations Marché mondial des biens et des capitaux Secteurs de production Sous contrainte de court-terme (capacité+technologies) Transferts Importations Charges sociales et taxes 12 régions 10 secteurs productifs (5 énergétiques, 3 transports, BTP, composite) Administrations Publiques Redistribution & Infrastructures

Équilibre statique sous contraintes Transports : budget-temps et capacités (infra+équipements) Énergie : induction des besoins par les transports et le logement (stock de m²) Ménages Fonction d'utilité prix salaires demande finale taxes Exportations Marché mondial des biens et des capitaux Secteurs de production Sous contrainte de court-terme (capacité+technologies) Transferts Importations Charges sociales et taxes 12 régions 10 secteurs productifs (5 énergétiques, 3 transports, BTP, composite) Administrations Publiques Redistribution & Infrastructures

Équilibre statique sous contraintes Ménages Fonction d'utilité prix salaires demande finale taxes Friction sur les facteurs de production : Sous- ou sur- capacités Chômage Exportations Marché mondial des biens et des capitaux Secteurs de production Sous contrainte de court-terme (capacité+technologies) Transfers Importations Charges, taxes 12 régions 10 secteurs productifs (5 énergétiques, 3 transports, BTP, composite) Administrations Publiques Redistribution & Infrastructures

Équilibre statique sous contraintes Ménages Fonction d'utilité 12 régions 10 secteurs productifs (5 énergétiques, 3 transports, BTP, composite) prix salaires demande finale taxes Exportations Marché mondial des biens et des capitaux Secteurs de production Sous contrainte de court-terme (capacité+technologies) Transferts Importations Balance commerciale et Balance des capitaux endogènes Charges sociales et taxes Administrations Publiques Redistribution & Infrastructures

Demande finale : Améliorer la description des schémas de consommation Une simple maximisation d’une fonction d’utilité sous contrainte de revenu ne permet pas de décrire les dynamiques des consommations d’énergie et de transport Les consommations d’énergie n’apportent pas du bien-être en soi mais via les services qu’elles procurent (éclairage, chauffage/climatisation, électroménager, mobilité). Les consommations de transport suivent des dynamiques spécifiques: Loi de Zahavi (budget temps constant), effet rebond, congestion. Les consommations énergétiques et la mobilité sont déterminées et contraintes par des stocks d’équipements dépendant des prix/revenus (biens durables, surface résidentielle, automobiles…)

Secteurs productifs : Rompre avec la fonction de production “tout en un” Distinguer les rigidités de court terme et les flexibilités de long terme (Marshall, Johansen, 1930): Lock-in de court terme sur les technologies et les capacités (capital putty-clay), traduit par une fonction de coût rigide avec un taux d’utilisation variable La flexibilité sur les technologies est possible dans les nouveaux investissements : modification des coefficients de la fonction de coût et évolution des capacités installées. Embarquer des informations variées sur l’évolution des coefficients de production (dires d’experts, résultats de modèles bottom-up). Retour à l’enveloppe réelle des possibilités techniques sur le long terme : pas de contraintes d’ordre mathématiques telles que des élasticités constantes. Mais une contrainte de reconstitution complète des évolutions techniques

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Les relations dynamiques dans la structure récursive Équilibre statique sous contraintes de court-terme Electricity, Fossil fuels Land-use Transport Évolutions des contraintes

Dynamique de long terme – « évolution des contraintes » Moteur de croissance Démographie (population active, demande finale) Productivité du travail et intensification en capital Efficacité énergétique globale et changements structurels Nouveaux stock d’équipements Capacités de production et équipements de consommation finale (générations de capital) Evolution cohérente avec l’investissement disponible Sous modèles énergétiques Energie Combustibles fossiles Electricité Demande finale Résidentiel Transport Industrie

Dynamique de long terme – « évolution des contraintes » Moteur de croissance macroéconomique Démographie (population active, demande finale) Productivité du travail (avec coûts croissants du capital) Efficacité énergétique et changements structurels Dynamique des stocks d’équipements Capacités de production et équipements de consommation finale (générations de capital) Evolution cohérente avec l’investissement disponible Sous modèles énergétiques Offre Combustibles fossiles Electricité Demande finale Résidentiel Transport Industrie

Dynamique de long terme – « évolution des contraintes » Moteur de croissance macroéconomique Démographie (population active, demande finale) Productivité du travail (avec coûts croissants du capital) Efficacité énergétique et changements structurels Nouveaux stock d’équipements Capacités de production et équipements de consommation finale (générations de capital) Evolution cohérente avec l’investissement disponible Sous modèles énergétiques Energie Combustibles fossiles Electricité Demande finale Résidentiel Transport Industrie

Les « incontournables » à représenter Potentiels d’exploitation des ressources fossiles Investissement dans les capacités de production. Évolution des coûts d’extraction Contraintes sur la disponibilité temporelle des réserves Choix d’investissement dans l’offre électrique (modèle compact) Dynamique de la demande énergétique du secteur résidentiel (via le niveau de service énergétique) Changement structurel dans l’industrie : expliciter dématérialisation et efficacité énergétique « pure » Localisation, Intensité de l’économie en Transport et Partage modal

Lieu de couplage et d’interaction avec des modèles bottom-up. Lieux d’interaction : les modules dynamiques (Nexus) qui prescrivent l’évolution des paramètres techniques de la demande et de l’offre. Modus operandi : des modèles B-U vers IMACLIM-R : Soit conception de modèles compacts à partir de modèles BU Soit calibrage de formes réduites pour reproduire les comportements BU Modus operandi : de IMACLIM-R vers B-U : Variables d’activité sectorielles cohérentes avec un scénario complet Bouclage en équilibre général (PEN, recyclage taxes, effet rebonds) Obstacles au dialogue : Désagrégations spatiales différentes Désagrégations sectorielles Cohérence des bases de données Processus d’itération lourd

Plan La modélisation hybride : Etat des lieux et enjeux De la rhétorique à la pratique : le modèle IMACLIM-R Présentation du modèle Équilibre statique Évolution dynamique Scénarios de long terme

Éléments d'élaboration d'un scénario de croissance global Démographie Productivité Commerce international Flux de capitaux La démographie détermine à la fois besoins finaux et force de travail potentielle (hypothèses de population totale, pyramide des âges, population active) Les potentiels de croissance de la productivité générale permettent le déplacement progressif des frontières de production (liens avec l'accumulation ce capital physique, les économies d'échelle, l'innovation) Le contexte international dans lesquelles interagissent les économies régionales et les politiques économiques nationales conditionnent la réalisation des potentiels de croissance (commerce de biens et services, flux de capitaux, règles monétaires et financières) Coût des technologies Stock de ressources fossiles Progrès technique Stock d'équipements Parc automobile Infrastructures

Moteur de la croissance potentielle : démographie et gains de productivité

Moteur de la croissance potentielle : démographie et gains de productivité

Le scénario de base de croissance "sans surprise" Croissance potentielle (Pop+Productivité) Croissance réelle

Un scénario de base "sans surprise" ...MAIS généré par un modèle incluant des mécanismes réels conduisant à des déséquilibres transitoires, autour d' un sentier d'équilibre.

Mécanismes de propagation internes à Imaclim-R Hausse du coût domestique du pétrole brut +30% sur 2 ans Augmentation du pétrole et des produits pétroliers importés (de 38% à 45%) Moindre croissance des VA des secteurs Moindre croissance du revenu des ménages Déséquilibre de la balance commerciale Consommations d'énergie inélastiques Baisse du taux de change pour rééquilibrer Moindre croissance de la consommation finale de bien composite Augmentation des exports de bien composite +11% au lieu de +5% Perte de croissance du PIB réel Choc atténué sur la la production de composite

Travaux en cours et perspectives Étude Chine / Inde : impact des « big giants » sur les marchés énérgétiques mondiaux Scénarios Facteur 4 pour les grands secteurs industriels Développement continu et publications Perspectives : Projet IMACLIM-R France, étude scénario négaWatt Étude biocarburants Brésil - programme GICC