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Compétitivité et soutenabilité de la bioéconomie à l'horizon 2050

De
274 pages
L'avènement d'une bioéconomie et en particulier le remplacement des ressources fossiles par des ressources renouvelables paraissent éminemment souhaitables. Cet ouvrage met en évidence les influences des prix de l'énergie et leurs variations sur des ressources renouvelables provenant de productions agricoles, voire de déchets municipaux et ceci par l'entremise de différentes technologies. Ces résultats très détaillés vont nourrir les réflexions des décideurs, investisseurs, concepteurs des politiques publiques.
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Pierre-Alain SCHIEB, COMPÉTITIVITÉ
Mohamed Majdi CHELLYET SOUTENABILITÉ
DE LA BI OO ÉCONOMIE COMPÉTITIVITÉ À L’HORIZON 2050
’avènement d’une bioéconomie et en particulier la substitu- ET SOUTENABILITÉ
tion des ressources fossiles par des ressources renouvelables Lparaissent éminemment souhaitables, tant du point du vue
de la pression démographique que de l’épuisement progressif DE LA BI OO ÉCONOMIEÉCONOMIE
des ressources non renouvelables et de leurs effets sur le
changement climatique.
L’originalité de cet ouvrage est de mettre en évidence les À L’HORIZON 2050infl uences possibles à l’horizon 2050 des prix de l’énergie et de
leurs variations sur des ressources renouvelables qui peuvent
provenir de productions agricoles alimentaires ou non
alimentaires, voire de déchets municipaux et ceci par l’entremise de
différentes technologies.
Trois scénarios sont testés pour le monde et plus
particulièrement pour l’Europe avec l’aide du modèle GCAM
BIOTECH 3.2 et ont permis de dégager un grand nombre de
résultats, certains inattendus.
Le premier scénario teste les impacts d’un prix du pétrole
relativement bas à 45 US $ le baril. Le second scénario consiste à
simuler les effets d’un prix du baril de pétrole en hausse à 80 US $.
Le troisième est un scénario de rupture marqué par un début
d’exploitation du gaz de schiste en Europe à partir de 2020, ce
qui aurait un effet puissant sur la consommation de gaz (+41%) et
freinerait la consommation de charbon.
Les résultats très détaillés du modèle GCAM BIOTECH 3.2 vont
nourrir les réfl exions des décideurs et des divers acteurs du secteur
de la bioéconomie, ainsi que celles des investisseurs, des
analystes et des concepteurs de politiques publiques.
Pierre-Alain SCHIEB est Président de BACKCASTING SAS, Consultant et
ancien Chef des Projets de l’OCDE sur l’Avenir. Il exerce dans le domaine
de la prospective stratégique, des nouvelles technologies, de
l’innovation et des risques.
Mohamed Majdi CHELLY est Ingénieur d’Études au sein d’un grand
groupe de l’énergie. Après une première expérience industrielle, il a
acquis un Master 2 à l’Institut Français du Pétrole puis intégré la Chaire
de Bioéconomie Industrielle de NEOMA Business School pour travailler
sur les enjeux de la bioéconomie.
Voir aussi : Bioraffi nerie 2030, une question d’avenir
(L’Harmattan, 2014)
ISBN : 978-2-343-10445-4
35 €
COMPÉTITIVITÉ ET SOUTENABILITÉ Pierre-Alain SCHIEB,
Mohamed Majdi CHELLY
DE LA BIOÉCONOMIE À L’HORIZON 2050









































© L’Harmattan, 2016
5-7, rue de l’Ecole-Polytechnique, 75005 Paris

http://www.harmattan.fr

ISBN : 978-2-343-10445-4
EAN : 9782343104454
2




Compétitivité et soutenabilité
de la bioéconomie à l’horizon 2050



1Pierre-Alain SCHIEB, Mohamed Majdi CHELLY




Compétitivité et soutenabilité
de la bioéconomie à l’horizon 2050



En hommage et en mémoire du Professeur Daniel THOMAS
Pionnier en France et en Europe de la bioéconomie industrielle





















1 Pendant la réalisation de cette étude, les auteurs étaient respectivement Titulaire et Ingénieur de
recherche de la Chaire de Bioéconomie Industrielle de NEOMA Business School (Campus de Reims).
LES AUTEURS
Pierre-Alain SCHIEB est Président de BACKCASTING SAS,
Président du Conseil d’Orientation Stratégique d’INERIS
Développement, Consultant auprès de l’OCDE. Il exerce dans le domaine de la
prospective stratégique, des nouvelles technologies, de l’innovation et
des risques. Il a été le premier titulaire de la Chaire de Bioéconomie
Industrielle de Reims Management School/NEOMA Business School
(2013-2015). Auparavant il a occupé différentes fonctions de direction
telles que Directeur de Sup de Co Rouen, Directeur des affaires
internationales (groupe de distribution), Chef des Projets de l’OCDE
sur l’avenir. Il a consacré ses premières années professionnelles à
l’enseignement, à la recherche et à la consultance (Universités
d’Aixen-Provence, Strasbourg, Sherbrooke, Paris, HEC Montréal).

Mohamed Majdi CHELLY est Ingénieur d’Études au sein d’un
grand groupe de l’énergie. Après une première expérience en étude
des centrales énergétiques au sein d’une société spécialisée dans la
production, le transport et la distribution de l’électricité et du gaz, il a
obtenu un Master 2 en Économie de l’Énergie et de l’Environnement à
l’Institut Français du Pétrole. Il a intégré ensuite la Chaire de
Bioéconomie Industrielle de NEOMA Business School pour travailler
sur les enjeux de la bioéconomie, notamment les impacts des prix des
énergies fossiles sur la compétitivité des biocarburants de différentes
générations à l’horizon de 2050. Il a participé à plusieurs conférences
et séminaires internationaux s’intéressant aux perspectives de la
bioéconomie en Europe et dans le monde.

6
TABLE DES MATIÈRES
LES AUTEURS ........................................................................................................ 6
IN MEMORIAM .... 11
REMERCIEMENTS .............................. 13

RÉSUMÉ POUR l’ACTION ................................................................................. 15

I. Evolutions de 2005 à 2050 et impacts des scénarios sur l’énergie et le raffinage . 23
1.1. L’évolution des principales consommations entre 2005 et 2050 en Europe 23
1.2. Les consommations de ressources énergétiques à 2050 en Europe ............. 24
1.3. Les productions de liquides raffinés en Europe à 2050 ................................ 25
1.4. Les productions d’entrants en Europe à 2050 selon les scénarios ................ 26

II. Evolutions de 2005 à 2050 et impacts des scénarios sur les productions agricoles
à 2050 ....................................................................................................................... 26
2.1. Evolutions des productions de cultures agricoles en Europe entre 2005
et 2050 ................ 27
2.2. Production agricole par type de culture à 2050 en Europe
selon les scénarios GCAM BIOTECH 3.2 .......................................................... 28
2.3. Evolutions des prix des produits agricoles sur la période 2005-2050 .......... 29

III. Evolutions entre 2005 et 2050 des productions et besoins en biomasse ............. 30

IV. Evolutions entre 2005 et 2050 de la production, de la demande
et des prix des engrais azotés .................................................................................... 30

V. Impact des prix de l’énergie sur l’utilisation des sols .......... 31

VI. Impacts des prix de l’énergie sur le changement climatique .............................. 32
En conclusion ........................................................................................................... 32

INTRODUCTION .. 39

7 CHAPITRE I
Description générale du modèle GCAM, méthodologie et choix des scénarios . 49

I. LE MODÈLE GCAM ........................................................................................... 49
I.1. Couverture régionale, socio économie et commerce .................................... 50
I.2. Le système énergie ....................... 54
I.3. Le système agriculture, utilisation des sols et bioénergie ............................. 60
I.4. Le module Climat ......................................................................................... 65

II. MÉTHODOLOGIE ET CHOIX DES SCÉNARIOS ........................................... 67
II.1. Choix des scénarios et méthodologie de modélisation dans GCAM 3.2 ..... 67
II.2. Méthodologie de sélection des résultats obtenus ......... 73

III. SYNTHÈSE ........................................................................................................ 74

CHAPITRE II
Résultats des simulations du modèle GCAM-BIOTECH 3.2 ............................. 77

I. IMPACTS SUR L’ÉNERGIE ET LE RAFFINAGE ............................................ 77
I.1. Prix des énergies primaires ........................................... 77
I.2. Consommation de l’énergie primaire ........................................................... 80
I.3. Production des liquides raffinés .... 89
I.4. Inputs des raffineries par technologie ......................... 103
I.5. Prix des produits raffinés ............................................................................ 112
I.6. Production de gaz par technologie .............................. 125
I.7. Coût de production du gaz par technologie ................ 128
I.8. Consommation de l’énergie finale par secteur............ 131
I.9. Synthèse partielle ........................................................................................ 135

II. IMPACTS SUR LES PRODUITS AGRICOLES .............. 138
II.1. Production agricole par type de culture dans la région Europe de l’Ouest 139
II.2. Production agricole par type de culture dans les zones AEZ10 et AEZ11
de la région Europe de l’Ouest .......................................................................... 146
II.3. Rendements des cultures dans les zones AEZ10 et AEZ11
de la région Europe de l’Ouest .......... 153
II.4. Prix des produits agricoles par type de culture dans la région
Europe de l’Ouest ............................................................................................. 154
II.5. Demande agricole dans la région Europe de l’Ouest................................. 160
II.6. Synthèse partielle ...................... 170

III. IMPACTS SUR LA PRODUCTION ET LA CONSOMMATION
DE BIOMASSE...................................................................................................... 172
III.1. Cultures dédiées à la production de biomasse .......... 172
III.2. Déchets municipaux solides ..... 174
III.3. Consommation totale de biomasse ........................................................... 175
III.4. Synthèse partielle ..................................................... 176

8 IV. IMPACTS SUR LES ENGRAIS AZOTÉS ..................................................... 176
IV.1. Production des engrais azotés .................................. 176
IV.2. Demande totale des engrais azotés .......................... 179
IV.3. Demande des engrais azotés par type de culture ...... 180
IV.4. Demande des engrais azotés par type de culture
et par zone agro écologique .............................................................................. 183
IV.5. Prix des engrais azotés ............. 184
IV.6. Coût de production des engrais azotés par technologie ........................... 185
IV.7. Emissions de CO2 dues à la production des engrais ................................ 188
IV.8. Synthèse partielle ..................................................................................... 189

V. IMPACTS SUR L’UTILISATION DES SOLS ................ 190
V.1. Affectation des sols ................... 190
V.2. Affectation des sols par zone agro écologique .......................................... 191
V.3. Emissions dues au changement d’affectation des sols .............................. 199
V.4. Taux de profit par type de culture et par zone agro écologique ................ 200
V.5. Synthèse partielle ...................................................................................... 207

VI. IMPACTS SUR LE CHANGEMENT CLIMATIQUE ................................... 207
VI.1. Emissions des GES .................. 207
VI.2. Concentration en CO2 dans l’atmosphère ............... 237
VI.3. Forçage radiatif ........................................................................................ 238
VI.4. Température moyenne globale ................................. 239
VI.5. Synthèse partielle ..................... 240

CHAPITRE III
Comparaison des résultats du modèle GCAM avec les scénarios long terme
de l’AIE pour la demande en pétrole et biocarburants et les scénarios SCAR
pour la bioéconomie ............................................................................................. 241

I. Scénarios de l’AIE dans le World Energy Outlook 2015 .................................... 241
I.1. Evolution du prix du pétrole sur le long terme par scénario ....................... 242
I.2. Demande mondiale en pétrole et biocarburants par scénario .......................... 243

II. Scénarios SCAR pour la bioéconomie ............................................................... 244
II.1. Construction des scénarios ........................................ 244
II.2. Les facteurs externes ................................................. 244
II.3. Les scénarios de la Bioéconomie .............................. 246
II.4. Impacts sur la Bioéconomie ...... 246
II.5. Comparaison des résultats des scénarios de SCAR
avec les scénarios de GCAM ............................................................................ 247

SYNTHÈSE ET CONCLUSION GÉNÉRALE ................. 251
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ........................................................... 257

9 IN MEMORIAM
Lorsque la Chaire de bioéconomie industrielle de Reims
Management School (devenue ensuite la Neoma Business School) a
été inaugurée en février 2012, le professeur Daniel Thomas a été
invité à délivrer une conférence sur le rôle des biotechnologies. En
tant que Chef des projets de l’OCDE sur l’avenir j’ai pu présenter les
perspectives et le potentiel d’une bioéconomie industrielle.
À cette occasion, puis en novembre 2013 lors des rencontres de
Chantilly du Pôle de compétitivité à vocation mondiale Industrie–
Agro-Ressources, M. Daniel Thomas a mentionné les attentes qu’il
avait à l’égard des modèles économiques pour concourir à la
compréhension des ressorts et du potentiel d’une future bioéconomie.
Il a bien voulu également exprimer sa confiance dans l’équipe de la
Chaire pour réaliser ces travaux.
Cet ouvrage est le résultat de deux ans de travail (2014-2015) et
j’espère que M. Thomas aurait aimé le lire.

Pierre-Alain SCHIEB

11 REMERCIEMENTS
Nous voudrions tout d’abord remercier les fondateurs de la Chaire
de bioéconomie industrielle de Reims Management School, en
particulier François Bonvalet, Directeur général et Svetlana Serdukov,
Directeur scientifique, pour avoir été les artisans de la création de
cette Chaire.
Plus largement, cette Chaire est la concrétisation d’un projet
territorial financé par des collectivités publiques locales telles que le
Conseil Régional de Champagne-Ardenne, le Conseil Général de la
Marne, et Reims Métropole. Nous ne pouvons citer ici tous les noms
des président(e)s, élu(e)s, et cadres de ces institutions mais qu’ils
soient chaudement remerciés. Nous sommes en particulier
reconnaissants de leurs soutiens à M. Jean-Paul Bachy, M. René-Paul
Savary et à Mme Catherine Vautrin. Sans leurs financements et
engagements personnels la chaire n’aurait pas pu voir le jour ni
fonctionner.
Le Conseil d’orientation stratégique de la Chaire a joué également
un grand rôle dans la détermination du plan de travail : M. Jean-Marie
Chauvet au titre de ARD puis de la Fondation J. de Bohan, M. Yvon
Le Hénaff Directeur général de ARD, M. Bertrand Rigal au titre de
Reims Métropole ont pleinement soutenu ces efforts. Il revient
cependant à M. Dominique Dutartre, membre du Conseil en tant que
Président du Pôle de compétitivité IAR d’avoir soutenu en 2013
l’intérêt stratégique d’un projet de recherche sur les effets du
développement massif de la production de gaz de schiste aux
ÉtatsUnis sur la compétitivité à 2030-2050 des produits bio-sourcés (la
bioéconomie industrielle) en Europe.
Nous souhaitons aussi remercier les équipes du Pacific Northwest
National Laboratory (États-Unis, équipe du Maryland) qui nous ont
accompagnés et soutenus dans la mise en œuvre de leur modèle dit
« global change assessment model » (GCAM), particulièrement M.
Page Kyle et M. Leon Clarke.
13 Enfin nous réservons un remerciement particulier à Mme Elisabeth
Patin qui a bien voulu revoir le manuscrit et le mettre en forme avant
publication.
Que ces personnalités et institutions trouvent ici l’expression de
nos remerciements les plus sincères.

Pierre-Alain SCHIEB
Mohamed Majdi CHELLY
14 RÉSUMÉ POUR L’ACTION
La bioéconomie, notamment dans les domaines des agro-ressources et
de leur utilisation, est fondée sur l’idée d’une raréfaction progressive des
ressources fossiles face aux besoins croissants des humains.
2L’économiste Nicolas Georgescu-Roegen a le premier théorisé en
1971 (The Entropy Law and the Economic Process) en quoi la
consommation à outrance de ressources fossiles provoquait une
dissipation d’ énergie résultant de cette consommation (entropie) qui
ne se retrouvait pas dans des ressources renouvelables (en simplifiant).
Il a nommé « bioéconomie » les processus qui permettent de conserver
l’énergie, construire une économie fondée sur des ressources
renouvelables, instaurer une certaine circularité et sobriété.
À ce point de départ, largement ignoré pendant longtemps, s’est
ajoutée l’idée que les progrès scientifiques, notamment à travers les
biotechnologies, étaient un préalable à la réalisation de cette
possibilité de substitution de ressources renouvelables à des ressources
3fossiles, dites non renouvelables. L’OCDE a alors abordé et discuté le
thème de la bioéconomie (en y incluant l’économie de la santé) sur la
base de la reconnaissance du potentiel des biotechnologies (21st
Century Technologies, 1998) comme facteur clé d’une possible
révolution industrielle et sociale (Bioéconomie 2030, 2009).
Se sont rajouté d’autres conditions à l’avènement d’une bioéconomie
industrielle.
La problématique
Une condition technologique : les découvertes des biotechnologies en
laboratoire ne sont pas suffisantes si un passage à la production

2 Georgerscu-Roegen Nicolas, The Entropy Law and the Economic Process, Harvard
University Press, 1971.
3 OECD, Bioeconomy 2030 : Designing a Policy Agenda, 2009, OECD Publishing.
15 industrielle n’est pas réalisable au sein d’une bio raffinerie en vraie
grandeur (c’est une condition nécessaire que de passer de l’éprouvette à
un pilote puis à un démonstrateur pour prouver que le process fonctionne
aussi dans les conditions d’une unité industrielle de taille commerciale).
4Nous avons montré dans un ouvrage précédent (Bioraffinerie 2030,
2014), que de telles bioraffineries existent bel et bien dès à présent.
Une condition de compétitivité : dans des marchés très concurrentiels,
les clients veulent bien se diriger vers des consommations plus durables,
mais ne sont pas encore prêts à payer une plus-value supplémentaire pour
autant. C’est le cas des industriels de la transformation (chimie,
pétrochimie, énergie), des transporteurs, constructeurs immobiliers,
réseaux de distribution, mais aussi du consommateur final dans une
grande majorité des cas. Dès lors, la compétitivité devient une question
centrale, un autre préalable à l’avènement d’une bioéconomie.
Stricto sensu, il s’agit d’une compétitivité « prix », c’est à dire de la
question des prix relatifs entre ressources renouvelables (la biomasse)
et non renouvelables (les ressources fossiles). Dès lors, l’économie de
l’énergie et des produits pétro-sourcés, bouleversée par l’arrivée des
gaz non conventionnels (gaz et huile de schiste) aux Etats Unis
intéressent énormément la question du potentiel des produits
biosourcés car dans une phase initiale, les produits bio-sourcés peuvent
difficilement concurrencer une énergie à 50 US Dollars le prix du baril
ou 3-4 US Dollars le MMBTU de gaz. Certains entrants (les engrais,
le fonctionnement des tracteurs) sont également dépendants dans une
large mesure des prix de l’énergie et du gaz.
C’est l’objet de cette recherche et de cette publication que
d’éclairer cette problématique avec les paramètres suivants :
 horizon de temps : 2030-2050
 point d’application géographique : le monde et plus
particulièrement l’Europe de l’Ouest
 variables dépendantes : les prix des principales sources de
biomasse (alimentaire, non alimentaire)
 variables indépendantes : les prix des ressources fossiles
(pétrole, gaz, charbon)
L’une des questions cruciales pour les investisseurs reste celle de la
volatilité du prix d’une ressource au fil du temps par rapport à elle-

4 Schieb, Pierre-Alain et alii, Bioraffinerie 2030 : Une question d’avenir, 2014, L’Harmattan,
version anglaise, Springer (2015).
16 même (par exemple, l’évolution du prix du baril de pétrole en US
Dollars constants au fil du temps), une autre question encore plus
complexe concerne les rapports de prix entre nos variables
dépendantes et indépendantes, qui elles aussi varient de plus en plus
au fil du temps mais dans des directions divergentes qui peuvent être
radicalement opposées (par exemple, les relations entre prix de
l’énergie et prix du sucre durant les quinze dernières années).
Ces nouvelles dynamiques ne peuvent trouver facilement des
réponses au sein de modèles qui ne sont pas encore tout à fait
construits pour cela : des fluctuations importantes à l’intérieur d’un
espace-temps donné qui peut être très court.
La question de l’horizon de temps est également cruciale car dans
le meilleur des cas, il faut considérer qu’un projet industriel de grande
ampleur (150 millions d’Euros à 1,2 voire 2 milliards d’Euros)
demande de quatre à cinq ans entre la décision d’investir, la réalisation
de la bioraffinerie et la mise en opération. A cela, il faut ajouter 10 à
15 ans pour amortir l’outil industriel sur le plan comptable et
financier. De ce fait 15 à 20 ans d’horizon (2030 minimum) sont
nécessaires pour s’assurer qu’un projet sera potentiellement viable.
Certains (Cf. remerciements) avaient formulé d’une boutade cet enjeu
en parlant de ce projet de recherche « c’est une question à 2 milliards
d’euros ».
La compétitivité « prix » ne suffirait pourtant pas à assurer
l’avènement d’une bioéconomie industrielle. Loin s’en faut. D’autres
paramètres entrent en jeux que l’on peut regrouper sous le concept de
« soutenabilité ».
L’un des premiers et plus important est la question de la
disponibilité de la biomasse qu’elle provienne de cultures à vocation
alimentaire (betterave ou canne à sucre, soja, blé, huile de palme..), de
bois, résidus de bois ou de paille, ou bien de déchets agricoles (lisiers,
manures), tout autant qu’urbaine, qu’elle soit organique ou
nonorganique. Pour être en mesure de remplacer, même partiellement le
pétrole, le gaz ou le charbon, il faut des quantités disponibles
suffisantes et à un prix compétitif. C’est pourquoi la question des
volumes de production, de la disponibilité des terres agricoles ou
forestières devient si importante. Mais pas seulement ; encore faut-il
que l’exploitant agricole dispose de suffisamment d’eau et d’entrants
et de soleil pour la photosynthèse. Et encore faut-il qu’il puisse en
vivre.
17 A ces facteurs s’en ajouteraient d’autres : par exemple, dans les
processus d’innovation se pose la question des politiques publiques :
dans quelle mesure l’Etat, ou les Etats dans un contexte de
régionalisation et de mondialisation, peuvent-ils contribuer à faciliter
l’innovation en réduisant les subventions à des énergies et ressources
fossiles, par exemple, mais sans forcément prendre parti pour une
technologie ou un procédé en particulier. Les énergies fossiles sont
subventionnées à hauteur de près de 500 milliard de US Dollars en
2014 (OCDE) et si l’on ajoute les impacts environnementaux à près de
6000 milliard de US Dollars (FMI). C’est une question que nous
traitons par ailleurs (P-A Schieb, M. Chelly, 2016, à paraître) mais qui
nous amène directement à la question du changement climatique
comme élément potentiellement puissant pour induire
significativement une bioéconomie en suscitant un prix du carbone et d’autres
mesures d’adaptation à caractère incitatif.
La lutte contre le changement climatique et l’augmentation des gaz
à effet de serre nécessitent une transition d’une économie basée sur les
ressources fossiles vers une économie plus vertueuse : la bioéconomie
définie comme la transformation et la valorisation de la biomasse pour
des besoins alimentaires et non alimentaires (biomatériaux,
biocarburants, agrosolvants, etc.) pourrait répondre, en partie, aux enjeux
e climatiques du XXI siècle.
Néanmoins, l’accélération du développement de la bioéconomie
dépendra de sa capacité à faire face à des enjeux économiques majeurs
notamment la volatilité du prix du pétrole où les effets induits d’une
économie du gaz de schiste.
En effet, sur une période récente, le tableau suivant montre qu’une
certaine corrélation a pu exister entre le prix du pétrole et le prix du
sucre (2002-2006), puis les prix respectifs ont commencé à diverger
(2008-2009) et enfin les rapports de prix sont devenus imprévisibles
(2010-2015)
18
Figure 1 : Relation entre les prix du pétrole et les prix du sucre sur la période
20022015 (Source : Solvay, Dr. Eng. François Monnet, par courtoisie de l’auteur).
Les scénarios
Pour illustrer cette problématique, nous avons souhaité simuler des
variations des prix des ressources fossiles et mesurer leurs impacts sur
les prix agricoles (la biomasse) selon trois scenarios :
 un scénario de référence qui repose sur une hypothèse de prix
bas du baril de pétrole (45 US $), du gaz et du charbon. C’est un
scénario qui est supposé handicaper le plus l’avènement d’une
bioéconomie industrielle.
 un scénario dit tendanciel qui se démarquerait du précédent par
une forte hausse de ces prix (baril à 80 US $, MMBTU à 8
US $), bien que ce scénario soit très conservateur par rapport
aux pics de 140 US $ atteint par le pétrole dans les années
antérieures. Nous avons estimé que ces prix de référence
devraient favoriser la substitution des énergies fossiles par des
énergies renouvelables.
 un scénario pro-actif en Europe par lequel nous avons imaginé
qu’à partir de 2020, le gaz de schiste pourrait être exploité en
Europe. C’est un scénario de rupture dans la mesure où au
moment où nous écrivons, des pays comme la France s’opposent
totalement à l’exploitation de ces gaz, d’autres comme la
19 Pologne enregistrent des résultats mitigés, et la Grande Bretagne
est dans une phase initiale de valorisation. Il nous a donc semblé
à la fois intéressant de tester cette « conjecture » mais pas avant
un certain délai du fait de ces oppositions ou difficultés. C’est
également un scénario qui dans notre esprit pourrait se révéler
défavorable à la bioéconomie industrielle en relançant une
énergie fossile à bas prix en Europe.
Les interactions entre le monde de l’énergie fossile et l’économie
de la biomasse sont cristallisées dans les modèles d’évaluation
intégrée (Integrated Assessment Models). Ces s permettent de
construire des scénarios à partir de certaines hypothèses et d’analyser
ensuite les effets de certains paramètres.
Une recherche a été effectuée sur les modèles intégrés existants qui
pourraient répondre à notre thématique de recherche. Plusieurs
modèles ont été ainsi étudiés notamment le modèle GTAP (Global
Trade Analysis Project) de l’Université de Perdue, le modèle
GLOBIOM (Global Biosphere Management Model) de l’institut
international de l’analyse des systèmes appliqués IIASA, le modèle
IMPACT (International Model for Policy Analysis of Agricultural
Commodities and Trade) d’IFPRI (International Food Policy Research
Institute) et plusieurs autres modèles (AIM, MAGNET, MAgPIE,etc).
Finalement, M. M. Chelly a pu identifier un modèle en accès libre,
et extrêmement bien adapté à nos besoins, le modèle GCAM.
Le modèle GCAM (Global Change Assessment Model)
Initialement MiniCAM, le modèle GCAM a été développé par le
Département de l’Energie des Etats-Unis depuis plus de vingt années
et il est actuellement mis à jour par l’institut JGCRI (Joint Global
Change Research Institute) qui rassemble des compétences du
laboratoire PNNL (Pacific Northwest National Laboratory) et de
l’Université de Maryland. C’est un modèle d’équilibre partiel qui
s’intéresse particulièrement aux interactions entre le système de
l’énergie, le système de l’agriculture et l’utilisation des sols, le climat
et l’économie mondiale.
GCAM est un modèle qui est largement utilisé par les décideurs
politiques, les organisations internationales et la communauté de la
recherche bien qu’il soit encore peu connu en Europe.
La version utilisée, GCAM 3.2, a été partiellement adaptée à nos
besoins, et la version modifiée est nommée pour ce travail :
GCAM20 BIOTECH 3.2. Du fait qu’il s’agit d’un modèle ouvert, et que nos
scénarios sont explicites, tous nos résultats peuvent être « répliqués ».
L’examen des caractéristiques du modèle GCAM et des modalités
de son utilisation pour les fins de cette recherche, permet de souligner
les points suivants :
 Grace au modèle GCAM, nous avons pu mettre en œuvre trois
scenarios d’évolutions des prix des ressources énergétiques
fossiles. Le scénario de référence du modèle GCAM lui-même, un
scenario conservateur de hausse des prix obtenu après mise à jour
de la calibration des prix des énergies fossiles (pétrole et gaz), dit
scénario tendanciel ou Business as usual, un scénario de production
de gaz de schiste en Europe à partir de 2020 selon le tableau
suivant :

Nom du scénario Paramétrage des prix du pétrole et du gaz
 Scénario de référence conçu par les modélisateurs de
Scénario de GCAM
Scénario 1
référence GCAM  Calibré avec des prix du pétrole d’environ 45$ le baril,
prix du gaz d’environ 5,5$/MMBTU (2005)
 +66% du prix du pétrole par rapport au scénario 1 :
Scénario
~80$/baril (2010)
Scénario 2 tendanciel
 +40% du prix du gaz (2010) par rapport au scénario 1 :
« BAU »
~8$/MMBTU
 -40 % du prix du gaz entre 2020 et 2035 par rapport au
Scénario gaz de scénario 2
Scénario 3
schiste en Europe  Pas de variation du prix du pétrole par rapport au
scénario 2
Tableau 1 Hypothèses de modélisation des scénarios dans GCAM-BIOTECH 3.2
 Le modèle GCAM est très bien adapté aux objectifs car il autorise
des chercheurs à s’appuyer sur un modèle qui repose sur une très
grande accumulation d’expériences et de compétences. Rares au
monde sont les modèles qui peuvent se targuer d’une telle
accumulation, qualité de maintenance, suivi et évolutions au fil du
temps. Les quelques équipes dans le monde qui ont atteint ce
niveau disposent souvent de 20-30 permanents, voire plus.
 Les deux modules principaux qui nous intéressent : le système
énergétique et le système agricole sont extrêmement développés,
d’égale importance et qualités, et très étroitement en
interactions, ce qui est aussi exceptionnel.
 Les hypothèses et paramètres peuvent être adaptés aux besoins de
l’étude du fait d’une certaine flexibilité et de l’accès aux équations
et codes : ainsi nous avons pu introduire des variations de prix des
21 énergies fossiles, alors que les prix sont normalement le résultat du
jeu de l’offre et de la demande dans GCAM.
 Il nous a également été possible de « corriger » dans le scenario
tendanciel GCAM 3.2, les historiques de prix du pétrole et du
gaz afin de permettre une mise à jour des données qui servent à
calibrer le modèle initial.
 Conformément au code de conduite de la communauté des
utilisateurs de GCAM, du fait de ces modifications et adaptions, nous
sommes amenés dorénavant à nommer cette version GCAM-BIOTECH
3.2. Dans la suite du rapport, il faut lire GCAM-BIOTECH 3.2
lorsque nous abrégeons par GCAM 3.2 ou bien GCAM.
 Comme cela a déjà été mentionné, nous avons explicité ces
adaptations, de sorte que d’autres équipes pourraient facilement
répliquer nos travaux, ce qui est une garantie potentielle de validité.
 Enfin, il découle de ces différents points, que nous avons pu
répondre au cahier des charges, c’est à dire « opérationnaliser » nos
trois scénarios et tester leurs impacts sur l’Europe de l’Ouest d’une
manière globale, et aussi pour les deux zones agro-écologiques
AEZ 10 et AEZ 11 parmi les 151 couvertes par GCAM 3.2.
 Une version 4.0 de GCAM permettrait dans une étape future
d’obtenir une granulométrie plus fine, c’est à dire de mesurer des
impacts sur des sous-régions (32 régions avec la version 4.0
comparé à 14 régions pour la version 3.2) mais nous pensons que
ces premiers résultats sont déjà très utiles dans leur forme actuelle.
Les résultats et leur présentation
 Pour présenter les résultats dans les chapitres suivants, nous
avons dû arbitrer selon la portée stratégique des résultats :
 certains résultats sont privilégiés car ils illustrent des
différences importantes ou au moins relativement
significatives du fait de l’impact des scenarios.
 d’autres cas semblaient moins importants car ils ne présentaient
pas de différences d’impacts entre les scenarios. Cependant, les
industriels et investisseurs nous ont fait remarquer que des
résultats stables dans le temps pour tout scenario étaient presque
d’égale importance car ils permettent de fonder un plan
d’affaires sur certains paramètres stables. De ce fait, nous avons
conservé dans la publication certains de ces résultats quand ils
semblaient correspondre à cette notion de « paramètre
stabilisé ».
22 I. Evolutions de 2005 à 2050 et impacts des scénarios sur
l’énergie et le raffinage
Nous procéderons à cette synthèse en commentant tout d’abord les
changements possibles des principales consommations entre 2005 et
2050 selon GCAM-BIOTECH 3.2. Puis nous commenterons tour à tour
les perspectives de consommations, puis celles de productions et enfin
celles qui concernent les entrants pour le cas de l’Europe en 2050.
1.1. L’évolution des principales consommations entre 2005 et
2050 en Europe
Presque indépendamment des scénarios étudiés, l’un des sous-produits
du modèle est l’évolution relativement contrastée des évolutions de
consommation entre les deux points dans le temps, 2005 et 2050.
La consommation de pétrole brut devrait chuter d’au moins 24 %
entre 2005 et 2050 (741 à 541 Mtep).
A contrario celle de gaz naturel devrait augmenter de 450 milliards de
3 3m à 550 voire 790 milliards de m soit des croissances de 20 à 73 %.
Le charbon serait aussi le grand bénéficiaire de cette évolution,
en passant de 320 Mtep en 2005 à une fourchette de 490 à 677 Mtep
5en 2050 .

Dates de référence 2005 2050 Evolutions en %
Consommation de pétrole brut
741 541 -24%
Mtep
Consommation de gaz naturel
450 560 -790 de +20 à +73% 3Milliards de M
Consommation de Charbon
320 490-677 de+ 53 à +212%
Mtep
Consommation de Biomasse-Energie
75 120-159 de +60 à +212%
Mtep
Consommation d’électricité nucléaire
2150 1600-1900 de -12 à -24%
TWh
Consommation d’électricité éolienne
500 1300- 1500 de +260 à+300 %
TWh
Consommation d’électricité solaire
5 80-100 de +1600 à +2000%
TWh
Tableau 2 : Estimations par GCAM-BIOTECH 3.2 des consommations d’énergies
par sources entre 2005 et 2050 pour l’Europe

5 Il s’agit d’une consommation de charbon liquéfiée pour des usages de transport et de chimie
plus que d’alimentation de centrales électriques.
23 1.2. Les consommations de ressources énergétiques à 2050 en
Europe
Il est frappant de constater que quels que soient les scénarios, la
consommation de pétrole en Europe tendrait à baisser d’ici à 2050,
cependant que la consommation de charbon, sauf exploitation des gaz
de schiste à partir de 2020, pourrait augmenter considérablement
(+38 %) dès que le prix du pétrole augmenterait vers 80$ le baril. La
consommation de biomasse serait elle aussi très sensible à une hausse
du pétrole vers les 80$ puisqu’elle augmenterait de 37 %.
Le scénario de rupture d’une entrée en exploitation en Europe du
gaz de schiste aurait bien évidemment un effet très puissant sur la
3consommation de gaz naturel (+41 % à 790 milliards de M ) et
freinerait la croissance de la consommation du charbon, de la
biomasse comme de l’électricité nucléaire (de 15 à 20% moindre).

S1 S3 volumes
Scénarios S2 volumes BAU S2 en % sur S1 S3 en % sur S2
REF SCHISTE
Pétrole
541 400 -43% 385 -6%
Mtep
Gaz naturel
560 560 = 790 +41% 3Milliards M
Charbon
490 677 +38% 580 -15%
Mtep
Electricité
Nucléaire 1860 1930 +41% 1600 -17%
TWh
Biomasse
110 159 +37% 120 -20%
Mtep
Tableau 3 : Simulations GCAM-BIOTECH 3.2 des consommations d’énergies par
sources à l’horizon 2050 pour l’Europe en fonction de trois scénarios.
24 1.3. Les productions de liquides raffinés en Europe à 2050
Les perspectives de production de liquides raffinées en Europe à
2050 semblent encore plus sensibles au prix du pétrole que les
consommations et surtout font apparaître des sources de productions
relativement inattendues.
Avec un prix du baril de pétrole à 80$ et du gaz à 8$/MMBTU, les
productions d’éthanol cellulosique de seconde génération feraient
un bon de 207 %, celles de biocarburants par voie Fischer-Tropsch
de plus 66 % et surtout le charbon liquéfié progresserait de 213 %.
Le scénario d’une production de gaz de schiste en Europe se
traduirait par une moindre croissance pour les autres sources mais en
contrepartie verrait le gaz naturel liquéfié croître de 172 % par rapport
aux deux autres scenarios à 32 Mtep.

S2 en
S1 S2 en % S3 en volume S3 en %
Scénarios volume
sur S1 sur S2 REF SCHISTE
BAU
Production totale 613 560 -9% 538 -4%
liquides raffinés Mtep
Biocarburants Fischer 9 20 +66% 18,6 -7%
Tropsch Mtep
Ethanol 13 27 +207% 25 -8%
Cellulosique 2G Mtep
Ethanol biodiesel n.s 0,05 n.s 0,05 n.s
1GMtep
Charbon liquéfié Mtep 60 128 +213% 118 -8%
Gaz naturel liquéfié
14 12 -15% 32 +172%
Mtep
Tableau 4 : Simulations GCAM-BIOTECH 3.2 des productions d’énergies par
sources à l’horizon 2050 pour l’Europe en fonction de trois scénarios.
25 1.4. Les productions d’entrants en Europe à 2050 selon les
scénarios
Les productions d’entrants pour les raffineries ou bioraffineries en
Europe en 2050 ne différent pas des productions de produits raffinés
selon les trois scénarios étudiés. Elles confirment et complètent
cependant les données précédentes.

S1 S2 volumes S2 en % sur S3 volumes S3 en % sur
Scénarios
REF BAU S1 SCHISTE S2
Biomasse carburants
17 37 +217% 34 -7%
Fischer Tropsch Mtep
Biomasse pour
26 54 +207% 50 -8%
bioéthanol 2G Mtep
Betteraves pour
ns n.s n.s n.s n.s
bioéthanol 1G Mtep
Charbon pour
125 265 +212% 245 -8%
liquéfaction Mtep
Gaz naturel pour gaz
22 20 -10% 50 +170%
liquéfié Mtep
Pétrole brut pour
550 400 -27% 380 -5%
raffinage Mtep
Gaz naturel pour
9 7 -28% 6 -8%
vapocraquage Mtep
Tableau 5 : Simulations GCAM-BIOTECH 3.2 des volumes d’entrants pour les
raffineries par technologies à l’horizon 2050 pour l’Europe en fonction de trois
scénarios
II. Evolutions de 2005 à 2050 et impacts des scénarios sur les
productions agricoles à 2050
Pour ne pas risquer de perdre de vue les grandes tendances, il faut
d’abord commenter les évolutions de productions entre 2005 et 2050
avant de mesurer l’impact des scénarios de prix des énergies sur les
différentes cultures. La question de l’évolution des prix agricoles sera
étudiée ensuite.
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