Modélisation des dépendances énergétiques : des matières premières à la santé mondiale

Modelling energy dependencies : from raw materials to global health

• Auteur / Autrice : Baptiste Andrieu
• Direction : Olivier Vidal, Gaël Giraud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 16/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Truche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie d' Acremont, Aude Pommeret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Harald U. Sverdrup, Nicolas Gourdain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Matières premières

Mots clés libres

Matières premières

Modélisation dynamique

Énergie

Dynamic modelling

Energy

Raw materials

Résumé

Actuellement, l’atteinte d’un niveau universel élevé de satisfaction de la vie nécessiterait une utilisation de ressources 2 à 6 fois supérieure à un niveau jugé durable. Il est donc nécessaire de découpler l'utilisation de ressources des besoins humains. La recherche sur ce sujet s'appuie sur le concept de systèmes d'approvisionnement, défini par Fanning et ses collègues comme "un ensemble d'éléments liés qui fonctionnent ensemble pour transformer des ressources pour satisfaire un besoin humain donné". Des transformations profondes de ces systèmes d'approvisionnement sont nécessaires, car suivre les tendances actuelles ne ferait qu'exacerber la crise écologique sans parvenir à éliminer les déficits sociaux. Pour renforcer notre compréhension de la chaîne allant de l'extraction des ressources de la biosphère jusqu'aux besoins humains, cette thèse vise à construire un modèle de stock et de flux des infrastructures mondiales.Le chapitre 1 critique le manque de perspectives venant de l'écologie industrielle et de la recherche sur le métabolisme socio-économique dans les modèles d'évaluation intégrée (IAMs), établissant ainsi la nécessité de construire de nouveaux modèles. Le chapitre 2 présente le modèle MATER (Multi-regional Assessment of Technologies Energy and Resources). Ce modèle reproduit avec précision les tendances passées de consommation d'énergie et de ressources (de 1900 à aujourd'hui) et est un outil utile pour mener des analyses prospectives basées sur la demande de services, la demande d'énergie ou des trajectoires socio-économiques. Le chapitre 3 décrit comment l’utilisation de tableaux entrées-sorties a permis de régionaliser les flux dans MATER. Une application web interactive représentant divers périmètres potentiels pour les calculs d’empreinte carbone est également présentée. Le chapitre 4 commence par décrire comment MATER calcule les coûts et les prix à long terme des métaux, en intégrant des variables telles que la teneur en minerai, le progrès technologique, le prix de l'énergie et les limites thermodynamiques. Le modèle reproduit fidèlement l'évolution historique des prix des métaux depuis 1900 et prédit une inversion inévitable de la baisse des coûts à mesure que l'énergie de production s'approche des limites thermodynamiques. La deuxème partie du chapitre 4 compare les intensités énergétiques (une donnée importante dans MATER) en fonction de la richesse. Les régions à hauts revenus utilisent plus d'énergie par unité de consommation finale que les régions à faibles revenus. Ce résultat contredit la croyance selon laquelle un PIB plus élevé serait corrélé à une meilleure efficacité. Le chapitre 5 explore les interactions entre la santé et l'environnement. Une analyse de 49 systèmes de santé montre l’existence d’une relation exponentielle entre l'empreinte en ressources de ces systèmes et leur indice d'accès et de qualité des soins de santé (HAQ). Ensuite, les associations entre l'empreinte énergétique par habitant (représentative du mode de vie d'un individu) et l'incidence de maladies sont calculées. Une empreinte énergétique élevée par habitant est corrélée à des faibles taux de maladies transmissibles, mais aussi à des taux élevés de maladies liées au mode de vie ou de maladies chroniques. Étant donné le besoin de réduire la consommation d'énergie pour réussir la transition énergétique, il est vital d'optimiser l'utilisation de l'énergie, en l'affectant à ce qui améliore la santé plutôt qu'à ce qui risque d'aggraver les maladies chroniques. Bien que la santé ne soit pas encore un secteur dans MATER, ce chapitre jette les bases de son inclusion éventuelle. Le chapitre 6 conclut par une discussion sur les besoins futurs en matière de recherche, notamment la création de scénarios de post-croissance, l’inclusion d'éxergie dans les modèles, l’étude de risques et la « gamification » des modèles afin de les rendre utiles à la prise de décision.

Based on current relationships, reaching universal high level of life satisfaction would require resource use at levels 2-6 times higher than the sustainable level. There is therefore a need to decouple resource use from human needs. Research on this topic is developed under the concept of provisioning systems, defined by Fanning and colleagues as “a set of related elements that work together in the transformation of resources to satisfy a foreseen human need”. Deep transformations of these provisioning systems are needed as current trends will only exacerbate the ecological crisis while failing to eliminate social shortfalls. To strengthen our understanding of the chain going from resource extraction from the biosphere all the way to human needs such as transportation or healthcare, this thesis aims to build a stock and flow model of the world’s infrastructures, with regionalized impacts.Chapter 1 critiques the lack of insights from industrial ecology and socioeconomic metabolism research in Integrated Assessment Models (IAMs), thereby establishing the necessity for novel models. Chapter 2 introduces the MATER (Multi-regional Assessment of Technologies Energy and Resources) model. Proven to accurately replicate past trends in energy and resources consumption (from 1900 to the present), this model is a useful tool for prospective analyses rooted in service demand, energy demand, or socio-economic trajectories. Chapter 3 describes how input-output modelling was utilized for regionalizing impacts within MATER. We also present an interactive web application representing various potential perimeters for input-output footprint calculations. Chapter 4 begins by delineating how MATER calculates the long-term costs and prices of metals, incorporating variables such as ore grade, technological advancements, energy prices, and thermodynamic limits. The model accurately reproduces the historical evolution of metal prices since 1900 and predicts that the trend of declining costs will eventually reverse as production energy approaches thermodynamic limits. The latter part of Chapter 4 compares energy intensities (an important input in MATER) as a function of affluence. High-income regions use more energy per unit of final consumption than low-income ones. This result contradicts the common belief that a higher GDP is correlated with a better efficiency. In Chapter 5, we delve into the interplay of health and environment. First, we conduct an input-output analysis of 49 healthcare systems, establishing an exponential link between their resources footprint and their healthcare access and quality (HAQ) index. Then, we calculate the associations between energy footprint per capita (indicative of an individual's lifestyle) and disease occurrence. High energy footprint per capita is correlated to low rate of communicable diseases but also to high rates of lifestyle-related/chronic diseases. In light of the need to consume less energy to achieve a successful energy transition and become more resilient to the risks of energy supply contraction, it is critical to make better use of energy, allocating it to what improves health and not to what may increase chronic disease risk. Though not yet a sector in MATER, this chapter lays the groundwork for its eventual inclusion. Chapter 6 concludes with a discussion on future research needs, encompassing the creation of post-growth Shared Socioeconomic Pathways, the need to include exergy in models, risk incorporation, and model gamification.