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Les CAHIERS N° 33 | JUILLET 2019
L’actualité économique et financière vue par la recherche
La finance au service
des mutations
du système électrique
Avec le concours de Romain Schweizer,
Thomas Deschatre, Olivier Féron,
René Aïd et Corinne Chaton
SOMMAIRE
N° 33 | JUILLET 2019
Les acteurs financiers Comment un producteur La gestion des producteurs
doivent s’adapter peut-il détecter les pics d’énergies renouvelables
au changement climatique de prix sur les marchés face aux marchés de gros
de gros de l’électricité ? de l’électricité
6
10
4 D’après un entretien
avec Romain Schweizer
D’après un entretien
avec Thomas Deschatre
D’après un entretien
avec Olivier Féron
Comment améliorer Comment mesurer
la gestion active la précarité énergétique
de la demande en électricité ? en temps réel ?
12
D’après un entretien
avec René Aïd
14 D’après un entretien
avec Corinne Chaton
Retrouvez l’actualité et les archives
de l’Institut Louis Bachelier, sur le site internet louisbachelier.
org, classées par thème :
transition financière, transition démographique,
transition environnementale et transition numérique.
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Les CAHIERS N° 33 | JUILLET 2019
L’actualité économique et financière vue par la recherche
La finance au service
des mutations
du système électrique
Avec le concours de Romain Schweizer,
Thomas Deschatre, Olivier Féron,
Publication de l’Institut Louis Bachelier – Palais Brongniart, 28 place de la Bourse 75002 Paris
René Aïd et Corinne Chaton
Tél. 01 73 01 93 40 – www.institutlouisbachelier.org – www.louisbachelier.org
Directeur de la publication : Jean-Michel Beacco
Rédacteur en chef : Ryadh Benlahrech (ryadh.benlahrech@institutlouisbachelier.org)
Collaboration à ce numéro : Damien Fessler
Secrétariat de rédaction, conception et réalisation : Eux Production – Tél. 06 64 49 79 72 – www.euxproduction.com
Imprimeur Kava : 42 rue Danton – 94270 Le Kremlin-Bicêtre – Tél. 06 14 32 96 87
2 I LES CAHIERS LOUIS BACHELIER I JUILLET 2019
ÉDITO
L e Laboratoire de Finance des Marchés de
l’Énergie (FiME) réunit des chercheurs
académiques et des ingénieurs d’EDF
R&D depuis 2006. Cette collaboration
fructueuse, menée en lien étroit avec la
Chaire Finance et Développement Durable, permet de déve-
lopper des méthodes quantitatives appliquées aux questions
de développement durable et de répondre à des probléma-
tiques métiers – dont vous pourrez avoir un aperçu dans les
électrique carbonée, tout en accompagnant la croissance de
la demande en électricité engendrée par l’électrification des
usages comme la mobilité électrique. Toutefois, si le poids
des ENR a considérablement augmenté dans le mix-énergé-
tique mondial ces dernières années, il reste de nombreuses
contraintes à lever, notamment pour pallier l’intermittence de
leur production.
Pour répondre aux nombreux défis liés à la lutte contre le
réchauffement climatique, la recherche scientifique doit
pages de ce nouveau numéro des Cahiers Louis Bachelier mutualiser ses efforts et ses ressources. À cet égard, le lan-
– comme l’intégration du changement climatique dans les cement du programme de recherche interdisciplinaire Green
décisions d’investissement des acteurs financiers, l’amélio- & Sustainable Finance par l’Institut Louis Bachelier, en 2018,
ration de la gestion active de la consommation en électricité constitue une opportunité pour permettre à la recherche
pour un fournisseur, la planification incitative de la transition de fournir des recommandations et des solutions concrètes
énergétique, ou encore la représentation des pics de prix sur dans le but de décarboner l’économie et d’orienter les flux
les marchés de gros de l’électricité. financiers vers des investissements favorables à la transition
En dépit du volontarisme affiché lors de la conclusion de l’Ac- environnementale.
cord de Paris sur le climat en 2015, ratifié par 184 États en
2016, visant à limiter le réchauffement climatique à 2 degrés Bonne lecture !
Celsius d’ici à la fin du siècle et de la prise de conscience
mondiale sur l’obligation de réduire les émissions de car-
bone, les derniers chiffres publiés sont loin d’être à la hau-
teur des enjeux. Ainsi, d’après le dernier rapport de l’Agence
Clémence Alasseur,
Internationale de l’Énergie (AIE), en 2018, la consommation directrice scientifique de l’Initiative
d’énergie a progressé de 2,3 % dans le monde, soit la plus de recherche FiME et ingénieur-
forte hausse depuis 2010 et s’accompagne d’une augmen- chercheur chez EDF R&D
tation de 1,7 % des émissions de carbone… Cette crois-
sance tous azimuts constitue de mauvais signaux, alors que
la demande d’énergie devrait poursuivre sa tendance haus-
sière, en particulier pour produire de l’électricité. Or, dans
ce secteur spécifique, les sources d’énergies non émissives, Nizar Touzi, professeur
comme les renouvelables (ENR), ont un rôle fondamental de mathématiques appliquées
à jouer pour permettre le remplacement de la production à l’École polytechnique
Partenaires
JUILLET 2019 I LES CAHIERS LOUIS BACHELIER I 3
LES ACTEURS FINANCIERS
DOIVENT S’ADAPTER
AU CHANGEMENT CLIMATIQUE
Le changement climatique a des effets sur tous les aspects de la société et le secteur
financier n’échappe pas à cette règle : le changement climatique se traduit par l’apparition
de nouveaux « risques » que les acteurs de la finance doivent évaluer et intégrer dans
leurs calculs. Dans ses travaux, un jeune chercheur développe des méthodes pour intégrer
ces risques dans les évaluations des banques d’investissement.
L
e changement climatique est au‑ LES LIMITES DES OUTILS EXISTANTS
jourd’hui un, si ce n’est LE, risque
majeur du xxie siècle. Défi inédit pour Cependant, il n’est pas aisé de traduire de
l’humanité, il peut représenter un risque pour façon quantitative (primes de risque, prix…)
les agents qui n’y seraient pas, ou mal, pré- ces risques nouveaux, à l’aide des outils clas-
parés. Tous les acteurs économiques, en siques dont disposent les acteurs financiers.
particulier financiers, sont confrontés à ces D’un côté, les climatologues estiment que la
risques, dont les effets commencent à se part d’incertitude concernant les évolutions
manifester de façon dramatique à certains à venir est très grande. L’attribution de liens
endroits. indubitables entre un événement extrême et le
réchauffement climatique est, par exemple, très
UN RISQUE NOUVEAU ET MULTIFORME difficile, voire impossible à prouver. Néanmoins,
Depuis le discours, en 2015, de Mark Carney, quelques tendances peuvent être dégagées,
gouverneur de la Banque centrale d’Angleterre, comme l’augmentation de la fréquence de ces
les spécialistes distinguent le risque physique événements extrêmes et des évolutions tendan-
traditionnel, c’est-à-dire les effets du réchauf- cielles (montée du niveau des océans, fonte des
fement sur les écosystèmes, et le risque de glaces…).
transition qui représente l’impact des chan- Quant au risque de transition, la tâche est plus
gements réglementaires, technologiques et difficile encore : « Le risque de transition résulte
sociaux instaurés pour minimiser les effets du de processus sociaux et de décisions politiques
réchauffement. face à un phénomène inédit dans l’histoire des
Concernant le premier type de risque, l’année sociétés humaines. Ces évolutions sont donc
2018 offre plusieurs exemples : la canicule aus- difficilement prévisibles, même à des hori-
tralienne ou les feux de forêts de Californie aux zons temporels proches », souligne Romain
conséquences désastreuses. Schweizer.
Sur le second risque, un exemple plus récent
encore permet de fournir une bonne illus- CONSTRUIRE UNE CARTOGRAPHIE
tration : la faillite de la société Pacific Gas & DES RISQUES DE TRANSITION…
Electric Company, considérée comme « l’EDF En parallèle de l’échec répété des tentatives
de la Californie », a été annoncée le 6 février d’accords internationaux et de l’absence d’au-
dernier. Les raisons ? Sa condamnation pour torité et de coordination multilatérale, des
D’après les travaux sa responsabilité dans les feux de forêts qui actions plus locales et concrètes ont émergé à
de thèse de Romain ont ravagé le sud de la côte ouest américaine. des échelles inférieures. De fait, à des niveaux
Schweizer, intitulés
« On peut y voir les signes avant-coureurs inférieurs, la présence de dispositifs institution-
Analyse des risques
liés au changement d’une tendance que les acteurs financiers nels plus à même de prendre des mesures et
climatique pour ne peuvent plus ignorer », observe Romain de les faire respecter permet d’imaginer que
le secteur financier. Schweizer. de multiples solutions vont se développer plus
4 I LES CAHIERS LOUIS BACHELIER I JUILLET 2019
Romain Schweizer est titulaire d’un master de mathématiques appliquées
de l’Université Paris-Dauphine. Il prépare actuellement un doctorat à l’Université Paris-Dauphine
(thèse CIFRE réalisée en partenariat avec Crédit Agricole CIB). Sa thèse porte sur la prise
en compte du risque climatique pour les acteurs financiers.
Méthodologie
Le chercheur tente de construire un indicateur quantitatif et qualitatif qui permettra d’inclure les risques liés
au changement climatique dans les systèmes de notation des risques pays, à partir d’une série d’observations
objectives : données statistiques, déclarations des entreprises ou encore engagements des États.
Cet indicateur, qui devra ensuite être régulièrement mis à jour, devrait être intégré dans la prime de risque
des lignes de crédit accordées par les banques, ou, plus généralement, dans les politiques de gestion et
d’exposition au risque du secteur bancaire.
localement. Or, ces mesures peuvent être per- d’intégrer ce nouveau risque à l’analyse des la prime de risque associée à ces titres, voire
çues comme des « risques » pour les industries risques pays qui est une compétence historique d’établir une politique d’exclusion de finance-
qui n’y seraient pas préparées, ou pour les des banques », anticipe Romain Schweizer. ment. Du point de vue des acteurs financiers,
industries qui seraient « ciblées ». Et c’est déjà cela reviendrait à évaluer le risque de défaut
le cas, même si les mesures peuvent paraître …AFIN DE GUIDER LES DÉCISIONS ou de liquidité sur les titres de ces entreprises,
modestes pour l’instant : si aucun prix mondial D’INVESTISSEMENT DES ACTEURS sachant qu’elles pratiquent cette activité depuis
du carbone n’a émergé pour l’instant, quelques
FINANCIERS très longtemps déjà ! l
pays ou provinces ont déjà instauré des sys- Par la suite, cette cartographie permettra de
tèmes de taxation ou de tarification (la Norvège, guider les décisions du secteur financier, dans
le Québec), tandis que des réseaux de grandes le sens de l’investissement ou du désinvestis-
À retenir
villes (comme le Global Climate City Challenge sement. Dans le premier cas, les acteurs finan-
ou le C40 Cities) émergent et cherchent à parta- ciers chercheront à identifier les pays les plus
Pour les acteurs financiers,
ger leurs solutions et leurs avancements. à même d’accueillir les infrastructures liées à
il est crucial d’identifier
« C’est à partir de ce constat que je cherche la lutte contre le changement climatique ou
les pays ou les secteurs les plus
à établir un ou des indicateurs qui puissent à l’adaptation à ses conséquences. Dans le
sensibles au changement
permettre d’identifier les secteurs ou les zones second, ils chercheront, au contraire, à réduire
climatique car cela représente
géographiques plus ou moins affectés par des leurs participations ou leurs engagements liés
un risque de défaut nouveau
changements éventuels de réglementation ou aux infrastructures émettrices.
et mal pris en compte.
technologiques », explique Romain Schweizer. Plus précisément, en prenant l’exemple du sec-
Et plusieurs pistes sont à l’étude, notamment teur des énergies fossiles – en mettant de côté
L’identification des sites
la constance d’un État à lutter contre le chan- l’hypothèse selon laquelle le développement de
d’extraction ou de
gement climatique dans son agenda politique la géo ingénierie ou des technologies de capture
transformation d’énergies fossiles
à long terme. La Norvège constitue ainsi un et de stockage du CO2 (Carbon Capture and
les plus exposés à une contraction
exemple pertinent. De même pour la volonté Storage – CCS) à l’échelle industrielle résou-
de la demande globale constitue
affichée d’un État à s’imposer comme un lea- dront tous les problèmes – il est, d’ores et déjà,
un indicateur intéressant pour
der sur le secteur des énergies renouvelables. certain que l’ensemble des réserves d’hydrocar-
qu’un acteur financier investisse
C’est le cas de la Chine, comme en témoigne bures actuellement connu ne sera pas épuisé.
ou non dans ce secteur polluant.
le nombre croissant de brevets concernant les Partant de ce constat, il est possible de cher-
énergies vertes, et sa politique industrielle de cher à évaluer les effets d’une contraction de
Lorsqu’ils seront mieux
développement de ces technologies. Mais, il est la demande sur les compagnies qui exploitent
appréhendés, ces risques
également possible de s’intéresser à une multi- les énergies fossiles (pétrole, gaz et charbon),
se traduiront en termes de
tude d’autres facteurs telles que les conditions en tenant compte des différents coûts d’extrac-
signal-prix et de prime de risque,
géographiques, la sensibilité des populations tion selon les champs et d’évaluer ses consé-
ce qui permettra aux acteurs
aux questions climatiques et écologiques, l’his- quences directes et indirectes sur la rentabilité
d’orienter les flux financiers vers
toire des évolutions de comportement (comme de ces activités. Ainsi, en étant capable de clas-
les investissements nécessaires
la baisse récente de la consommation de viande ser des champs pétroliers/gaziers avec leur coût
à la transition écologique.
en France). « Cette cartographie permettra ainsi d’exploitation, il serait possible de mieux évaluer
JUILLET 2019 I LES CAHIERS LOUIS BACHELIER I 5
COMMENT UN PRODUCTEUR
PEUT-IL DÉTECTER LES PICS DE PRIX
SUR LES MARCHÉS DE GROS
DE L’ÉLECTRICITÉ ?
Pour équilibrer la production d’électricité (l’offre) aux besoins (la demande) en temps réel,
les énergéticiens peuvent échanger sur les marchés de gros de l’électricité à court terme.
Toutefois, les cours sont fluctuants et volatils avec parfois des pics importants, nécessitant
ainsi des anticipations. Des chercheurs ont développé une approche permettant de détecter
les valeurs extrêmes des prix sur ces marchés de gros.
S
i le secteur de la production électrique aux marchés de gros de l’électricité à court
peut paraître simple, avec des acteurs terme, qui sont de deux types : les marchés
produisant de l’électricité, à partir de day ahead fonctionnant avec un système d’en-
différentes sources fossiles (gaz, charbon), chères pour une livraison de l’électricité à hori-
nucléaire ou renouvelables (éolien, solaire, zon 24 heures ; les marchés infra-journaliers,
hydraulique), qui est injectée ensuite sur les qui permettent d’échanger jusqu’à 45 minutes
réseaux pour y être consommée immédiate- avant la livraison effective de l’électricité durant
ment, il est, en réalité, beaucoup plus com- les 24 tranches horaires composant une
plexe. Parmi les particularités notables, figure journée.
notamment le fait que les producteurs doivent
produire à la hauteur de la consommation à tout LES MARCHÉS DE L’ÉLECTRICITÉ
moment. Cette contrainte de base oblige ainsi À COURT TERME SONT TRÈS VOLATILS
les producteurs à anticiper le plus finement Sans rentrer dans les spécificités du fonction-
possible entre leur équilibre offre-demande. nement de ces marchés de l’électricité à court
Il existe des aléas sur la production pouvant terme, ils servent de variables d’ajustement
être difficiles à anticiper en raison notamment pour équilibrer la production et la consom-
de la montée en puissance des sources d’éner- mation d’électricité en permettant d’échanger
gie renouvelable (ENR), qui sont intermittentes, les surplus de certains acteurs. Comme dans
dans la production d’électricité. Des événe- tout marché, les prix y jouent un rôle fon-
ments fortuits sur les centrales peuvent aussi damental. Des épisodes de forte demande/
créer de l’incertitude sur la production. Qui plus faible production peuvent succéder à des
est, pour répondre à la demande, ce sont les épisodes de faible demande/forte production.
moyens de production les moins chers et les Ainsi, l’électricité n’étant pas stockable, les
moins polluants qui sont mobilisés en premier, variations de cours sont très élevées : « Les
dépriorisant ainsi les centrales thermiques de marchés spot de l’électricité sont très vola-
complément à gaz ou au charbon qui sont plus tils avec des pics de prix importants, ce qui
D’après Estimating
fast mean-reverting coûteuses. génère des risques financiers qui doivent être
jumps in Parallèlement aux difficultés de prévoir la pro- pris en compte par les énergéticiens », indique
electricity market duction, la consommation électrique, quant Thomas Deschatre. Par exemple, en France,
models, écrit par à elle, peut également être sujette à de fortes en novembre 2016, trois épisodes de pics de
Thomas Deschatre,
variations à la hausse, comme l’hiver dernier prix ont été observés, où le mégawatheure
Olivier Féron et Marc
Hoffmann, ainsi en France, ou à la baisse. Pour remédier à ces (MWh) a dépassé les 800 euros, alors que son
qu’un entretien avec difficultés et compenser leurs éventuels écarts prix annuel moyen a été de 34,60 euros, selon
Thomas Deschatre. de production, les producteurs peuvent recourir les données de la Commission de régulation
6 I LES CAHIERS LOUIS BACHELIER I JUILLET 2019
Thomas Deschatre est ingénieur-chercheur au sein du département Osiris d’EDF
R&D, avec des activités autour des modèles de prix de l’électricité, ainsi que de la gestion des
risques de marchés. Il a effectué sa thèse en mathématiques appliquées au sein d’EDF, ainsi qu’au
CEREMADE à l’université Paris-Dauphine, sur des problématiques de modélisation de la
dépendance entre processus stochastiques et d’estimation statistique. Il est également diplômé de
l’École Supélec, ainsi que de l’École Nationale de la Statistique et de l’Administration Economique.
Méthodologie
Les chercheurs ont conduit des travaux statistiques sur des modèles existants de la littérature dans le but
d’estimer les pics de prix sur les marchés de gros de l’électricité dans un cadre général. Pour ce faire, ils ont utilisé
des méthodes de statistique des processus stochastiques, qui permettent de prendre en compte des données
évoluant au cours du temps (par exemple, les prix de l’électricité sur les marchés et les températures).
Dans un second temps, ils ont mobilisé des méthodes de statistiques non paramétriques, c’est-à-dire sans
modèle, pour incorporer de la dépendance entre les pics de prix et des aléas physiques (températures,
pénétration de l’énergie éolienne). Au final, leurs travaux statistiques leur ont permis de calculer les probabilités
que des pics de prix se produisent sur les marchés à court terme de l’électricité.
de l’énergie. Outre-Rhin, c’est l’inverse, avec les pics de prix et les températures, tandis
des pics de prix négatifs, en raison de la forte que pour l’Allemagne, ils ont choisi le taux de
proportion d’ENR dans la production d’élec- pénétration de l’éolien par rapport à la produc-
tricité : en 2017, 146 heures sur 24 jours de tion totale. « Nos résultats sont cohérents avec
prix négatifs ont été observées sur le marché notre intuition de base. En France, la proba-
day ahead et 185 heures sur 34 jours sur le bilité d’avoir un pic de prix à chaque instant
marché infra-journalier, d’après Epex Spot, une diminue avec la hausse des températures et
plateforme européenne d’échanges. « Les prix inversement. En Allemagne, le pourcentage de
de l’électricité sont très dépendants d’aléas pénétration de l’éolien n’a pas d’impact sur les
physiques exogènes, comme la météo. Nous pics de prix à la hausse, mais il en a sur la fré-
sommes partis de cette intuition de base, identi- quence d’apparition de pics de prix négatifs »,
fiée dans la littérature existante et observable en détaille Thomas Deschatre. Avec cette méthode
À retenir
pratique, pour réaliser nos travaux d’estimations statistique, les producteurs ont la possibilité de
statistiques des pics de prix sur les marchés de mieux gérer leurs risques financiers.
Il est important pour
l’électricité à court terme », explique Thomas
un producteur d’électricité
Deschatre. L’originalité de ces travaux consiste UNE MÉTHODE STATISTIQUE
POTENTIELLEMENT INDUSTRIALISABLE de prendre en compte la présence
à détecter statistiquement les pics de prix sans
des pics de prix sur les marchés
modèle préalable, afin d’observer leur fré- Pour l’heure, les travaux statistiques dévelop-
de gros de l’électricité à court
quence d’apparition et donc de permettre aux pés par les chercheurs servent de références et
terme, car ils ont des impacts
producteurs de les prendre en compte dans la d’indicateurs au sein du service de recherche &
immédiats sur la gestion
gestion de leurs risques financiers. « En restant développement d’EDF. « Ils permettent de réali-
de ses risques financiers.
dans un modèle gaussien classique, les queues ser des études, d’interpréter et de présenter des
de distribution sont fines, ce qui ne permet pas résultats aux différentes branches de métiers
La fréquence des pics
à un producteur de capter les valeurs extrêmes, au sein d’EDF. Nos travaux peuvent également
de prix peut être fortement
qu’elles soient basses ou hautes, et donc de être appliqués aux marchés du gaz », conclut
dépendante d’aléas exogènes
modéliser tous les risques financiers », justifie Thomas Deschatre, qui va poursuivre ses tra-
physiques comme la température
Thomas Deschatre. vaux pour tenter de parvenir à les appliquer à
en France ou la production
une échelle industrielle. l
éolienne en Allemagne.
UNE MÉTHODE APPLIQUÉE
SUR DES DONNÉES RÉELLES
La méthodologie innovante
Les chercheurs ont utilisé des données réelles
des chercheurs permet
de pics de prix sur les marchés français et alle-
de mieux gérer les risques
mand, afin de confirmer ou d’infirmer leur intui-
financiers des énergéticiens.
tion de départ. Pour la France, ils ont analysé
JUILLET 2019 I LES CAHIERS LOUIS BACHELIER I 7
TRANSITION TRANSITION FINANCIÈRE ENVIRONNEMENTALE TRANSITION TRANSITION DÉMOGRAPHIQUE NUMÉRIQUE
LA GESTION DES PRODUCTEURS
D’ÉNERGIES RENOUVELABLES
FACE AUX MARCHÉS DE GROS
DE L’ÉLECTRICITÉ
Avec la disparition progressive des tarifs d’achat des énergies renouvelables (ENR) en Europe,
les producteurs d’ENR seront exposés aux variations des prix des marchés de gros
de l’électricité. Des chercheurs ont théorisé scientifiquement la stratégie optimale, incluant
l’utilisation d’une batterie de stockage, qu’un producteur devra mettre en œuvre.
L
a progression des énergies renouve- engagements sur leurs prévisions de production
lables (ENR) dans le mix-énergétique d’électricité à base d’ENR pour maximiser leurs
mondial, en particulier pour produire revenus et éviter des pénalités financières. Pour
de l’électricité, constitue une nécessité pour schématiser, un énergéticien doit indiquer, aux
réduire les émissions de carbone dans l’atmos- gestionnaires de réseaux, un jour à l’avance,
phère et limiter ainsi le réchauffement clima- l’électricité qu’il compte leur fournir. Or, la
tique. Chaque année depuis 2016, l’électricité marge d’erreur de la production d’une ferme
à base d’ENR a représenté les deux tiers des éolienne peut, par exemple, atteindre 20 %
investissements en capacités de produc- de ses capacités installées à un horizon de six
tion dans le monde, d’après le World Energy heures. En outre, le caractère peu stockable de
Investment Reports de l’Agence Internationale l’électricité accentue les difficultés des produc-
de l’Énergie (AIE). Dans l’Union européenne teurs, même si les technologies de stockage
(UE), le développement des ENR poursuit aussi avec des batteries se développent et que les
une bonne dynamique : en 2016, l’électricité coûts de stockage sont voués à diminuer dans
produite à partir de sources d’énergies renou- les deux prochaines décennies, selon l’AIE. Et
velables représentait 29,6 % de la consomma- pour ne rien arranger, les tarifs de rachat (feed
tion intérieure brute d’électricité totale au sein in tariffs en anglais) des ENR par les grands
des 28 membres de l’UE, selon Eurostat. Et les énergéticiens nationaux (EDF dans le cas de la
objectifs contraignants de la Commission euro- France), qui représentent un soutien financier
péenne – qui doivent porter la part des ENR à
27 % dans la consommation totale d’énergie
d’ici à 2030 – devraient contribuer à la ten-
dance actuelle.
LES PRODUCTEURS D’ENR Le caractère peu stockable
ONT BEAUCOUP DE PROBLÉMATIQUES de l’électricité accentue les difficultés
À INTÉGRER
des producteurs, même si les
D’après Optimal Toutefois, si ce volontarisme s’inscrit dans technologies de stockage avec
management le bon sens et qu’il reste encore beaucoup à
des batteries se développent
of a wind power plant faire, les producteurs d’ENR sont confrontés
with storage capacity,
et que les coûts de stockage
à de nombreuses problématiques, et non des
écrit par Jérôme sont voués à diminuer dans
moindres, pour alimenter les réseaux élec-
Collet, Olivier Féron
triques. Il faut dire que l’intermittence des
les deux prochaines décennies.
et Peter Tankov,
ainsi qu’un entretien ENR représente des incertitudes pour les pro-
avec Olivier Féron. ducteurs, alors qu’ils doivent respecter des
10 I LES CAHIERS LOUIS BACHELIER I JUILLET 2019Olivier Féron est ingénieur-chercheur au sein d’EDF R&D depuis 2006 et rattaché au
Laboratoire de Finance des Marchés de l’Énergie (FiME) depuis 2008. Il est titulaire d’un doctorat
en mathématiques appliquées et d’un diplôme d’ingénieur de Supélec.
Méthodologie
Les chercheurs ont défini la stratégie optimale d’un producteur d’énergie éolienne, qui peut à la fois recourir
aux marchés de gros à court terme de l’électricité et à une batterie de stockage. Ils ont, d’abord, modélisé
et calibré avec des données historiques un modèle des prix infra-journaliers de l’électricité sur les marchés,
ainsi que des prévisions de la production de l’énergéticien. Puis, ils ont résolu un problème de contrôle optimal
par programmation dynamique.
pour rentabiliser la filière des ENR, dispa- certaines hypothèses pour réduire le nombre
raissent progressivement en Europe. « Cette de décisions possibles, mais tout en restant
mesure a déjà commencé en Allemagne et va proches de la réalité. Cela nous a permis de
se mettre en place en France. Par conséquent, résoudre notre problème mathématique »,
les producteurs français devront se confron- affirme Olivier Féron. Sans rentrer dans des
ter aux prix des marchés de gros de l’électri- détails trop techniques, les chercheurs ont
cité », souligne Olivier Féron. Plus précisément, employé les outils d’optimisation stochastique
ils devront intervenir sur les marchés dits pour décrire les différentes options d’un pro-
infra-journaliers apparus très récemment, et ducteur éolien, et choisir celles qui maximisent,
qui permettent de vendre ou acheter de l’élec- en moyenne, le profit du producteur, tenant
tricité à livraison quasi-immédiate. Ces marchés compte des prix du marché et des prévisions
permettront aux producteurs de revendre leurs imparfaites de la production.
surplus éventuels d’électricité ou d’en acheter
pour compenser les écarts de production par LES PRODUCTEURS D’ENR
DOIVENT FAIRE DES COMPROMIS À retenir
rapport aux quantités qu’ils se sont engagés
à fournir et à injecter sur les réseaux. « Cette Alors quelle est la stratégie optimale à adopter
Un producteur d’énergie
nouvelle donne implique des questions pour pour un producteur d’ENR ? « Cela dépend de
renouvelable (ENR)
les producteurs quant à la rentabilité des ENR, la facilité d’accéder aux marchés de gros et de
doit définir une gestion optimale
l’investissement dans des batteries de stockage la disponibilité des capacités de stockage. Dans
de sa production pour faire face
ou encore le recours aux marchés de gros de notre article, nous avons fait l’hypothèse que
aux marchés à court terme
l’électricité. Les acteurs des ENR doivent désor- le producteur puisse accéder directement aux
de l’électricité.
mais davantage définir une gestion optimale marchés, alors qu’en réalité la plupart doivent
de leur production par le biais d’arbitrages passer par un agrégateur. Pour un tel produc-
La gestion optimale
pour faire face aux prix des marchés de gros », teur, nous avons déterminé les stratégies opti-
de la production d’ENR
explique Olivier Féron. males et les bénéfices potentiels d’achat d’une
intermittente nécessite l’étude
batterie de stockage. Un producteur qui ne
des impacts et des intérêts
LES MODÉLISATIONS MATHÉMATIQUES peut accéder au marché que via un agrégateur
CONSTITUENT DES AIDES pour un producteur de recourir
peut quand même utiliser ces estimations pour
À LA PRISE DE DÉCISION à une batterie de stockage
négocier un tarif équitable avec celui-ci. Pour
de l’électricité.
C’est dans ce contexte et pour répondre aux l’instant, les coûts de stockage restent trop éle-
questions mentionnées plus haut que les vés pour qu’il soit rentable qu’un petit produc-
Les résultats d’une gestion
chercheurs ont réalisé leurs travaux de modé- teur investisse dans une batterie. Néanmoins,
optimale de la production
lisation mathématique, où un petit producteur la baisse des coûts et la transformation des
d’ENR dépendent du compromis
d’énergie éolienne a la possibilité de recourir marchés de l’électricité peuvent modifier la
entre l’efficacité des prévisions
au marché de l’électricité à court terme ou de donne. Il est également possible d’utiliser ce
de production d’un énergéticien,
stocker de l’énergie dans une batterie coûteuse. type de résultat dans l’optique non pas de
l’utilisation de batteries
Son objectif est d’optimiser sa production avec maximiser le bénéfice de vente, mais d’assurer
de stockage et le recours
l’un ou l’autre des deux leviers à sa disposition l’indépendance électrique d’une communauté
aux marchés de gros à court terme
et de maximiser ses bénéfices. « Nous avons à moindre coût avec un mix 100 % renouve-
de l’électricité.
dû nécessairement faire des simplifications et lable », conclut Olivier Féron. l
JUILLET 2019 I LES CAHIERS LOUIS BACHELIER I 11COMMENT AMÉLIORER
LA GESTION ACTIVE
DE LA DEMANDE EN ÉLECTRICITÉ ?
Les dispositifs de gestion active de la demande visent à inciter les particuliers à réduire leur
consommation d’électricité certains jours de l’année, lorsque la production est particulièrement
contrainte. Des chercheurs essayent de définir les meilleurs modes de tarification des contrats
de fourniture d’électricité, afin de rendre ces dispositifs plus efficaces.
Le procédé qui agit sur la demande
plutôt que sur l’offre d’électricité
D
ans un système électrique, la pro-
s’appelle la gestion active
duction doit toujours être égale à la
consommation. Quand la demande
de la demande.
est élevée, par exemple en hiver quand les
températures sont basses, il peut être plus
intéressant pour les producteurs d’inciter les
consommateurs à réduire leur consommation qui diminue la fiabilité du mécanisme. Plus pré-
plutôt que de démarrer des centrales élec- cisément, cette situation renvoie à ce que l’on
triques de pointe coûteuses et carbonées. Le appelle en économie un problème de hasard
procédé qui agit sur la demande plutôt que sur moral », explique René Aïd.
l’offre d’électricité s’appelle la gestion active de
la demande. UNE SITUATION DE HASARD MORAL
Quand le consommateur signe le contrat men-
INCITER LES PARTICULIERS tionné précédemment, il engrange le bénéfice
À RÉDUIRE LEUR CONSOMMATION lié au rabais consenti sur le prix de son élec-
La forme la plus courante pour gérer active- tricité. Plus tard, quand l’événement tarifaire
ment la demande d’électricité consiste en la se produit, il compare le coût induit par cette
mise en place d’un contrat entre un produc- hausse ponctuelle de son tarif avec la gêne
teur et un consommateur. Ce contrat permet que lui causerait une réduction de sa consom-
au client de bénéficier d’un prix inférieur au mation. Parfois, il préférera ne pas baisser sa
prix normal toute l’année. En revanche, le prix consommation au grand dam du producteur.
qu’il devra payer sera beaucoup plus élevé un « Dans cette situation, le problème du produc-
certain nombre de jours. Et ces derniers ne teur est alors de proposer au consommateur un
sont pas connus à la signature du contrat, car contrat indexé seulement sur sa consommation
ils dépendent des aléas météorologiques qui pour l’inciter à la réduire et à la rendre plus pré-
vont se réaliser pendant l’année. Pour lui per- visible », poursuit René Aïd.
mettre de prendre ses dispositions et réduire En effet, le particulier peut réduire sa consom-
D’après Optimal
electricity demand sa consommation, le client est prévenu la mation en agissant sur chacun des usages élec-
response contracting veille que le prix élevé s’appliquera le lende- triques de son foyer : le chauffage, le four, les
with responsiveness main. « Les expérimentations des dispositifs plaques de cuisson, mais également les ordina-
incentives, de gestion active de la demande montrent que teurs et tout autre appareil électrique équipant
écrit par René Aïd,
ce mécanisme permet de réduire la consom- son logement. Le consommateur peut égale-
Dylan Possamaï et
Nizar Touzi, ainsi mation. Toutefois, elles constatent également ment faire un effort pour que sa réponse à une
qu’un entretien avec une variance importante dans les réponses des demande de réduction de la part du producteur
René Aïd. consommateurs aux événements de prix, ce soit la plus régulière possible.
12 I LES CAHIERS LOUIS BACHELIER I JUILLET 2019René Aïd est professeur d’économie à l’Université Paris-Dauphine depuis 2016 et maître
de conférences à l’École polytechnique depuis 2015. Au préalable, il a été ingénieur de recherche
en économie financière des marchés de l’énergie (1998-2003), puis directeur (2003-2006)
au sein d’EDF R&D. Il est co-fondateur et directeur (2006-2013) du programme de recherche
Laboratoire de Finance des Marchés de l’Énergie (FiME), qui a reçu le prix AEF 2014
de la meilleure initiative de recherche entreprise/université. Directeur adjoint du département
recherche d’EDF R&D sur la production et la gestion des risques financiers (2014-2016),
il a également été conférencier plénier à la conférence SIAM Financial Mathematics & Engineering
(2016) et au congrès mondial Bachelier Finance Society (2018). Membre du bureau scientifique
de l’Institut Louis Bachelier, il a publié la monographie Electricity Derivatives (Springer, 2015)
et co-édité le livre Commodities, Energy and Environmental Finance (Fields Institute
Communications, Springer, 2015).
Méthodologie
Les auteurs se placent dans le cadre d’un modèle principal-agent
en temps continu, dans lequel interagissent un producteur À retenir
d’électricité (le principal) et un consommateur (l’agent).
Le principal ne peut pas observer les efforts de l’agent pour réduire
sa consommation. Sous certaines hypothèses (pour le producteur, Les dispositifs de gestion
coûts marginaux de l’énergie et de la volatilité constants ; active de la demande
pour le consommateur, valeur marginale de l’énergie constante), d’électricité, qui visent à inciter
la résolution du modèle permet de spécifier un contrat optimal. les consommateurs à réduire
Cette résolution s’appuie sur des avancées récentes réalisées leur consommation lors
par Jaksa Cvitanic (Caltech), Dylan Possamaï (Columbia University)
et Nizar Touzi (École polytechnique) sur les méthodes
de périodes critiques, permettent
de programmation dynamique appliquées aux problèmes de réduire la consommation
de principal-agent. d’électricité mais exhibent
une variance importante dans
les réponses des consommateurs.
La modélisation de la
Cependant, le producteur ne peut pas observer le particulier pour sa baisse de consomma-
relation entre un producteur
les efforts spécifiques que fait le particulier. Un tion à un prix bien supérieur à la valeur que le
et un consommateur avec
compteur intelligent relève la consommation consommateur attribue à l’énergie. Néanmoins,
le problème du principal-agent
totale d’un foyer et pas celle de chaque appa- si la consommation ne réduit pas, alors le
permet d’établir les conditions
reil. Pour cette raison, les paiements prévus consommateur paye son électricité bien plus
pour que les dispositifs de gestion
dans le cadre du contrat ne peuvent se baser cher que la valeur qu’il lui attribue.
active de la demande d’électricité
que sur sa consommation réalisée. Plus pré- Le consommateur reçoit ainsi une incitation
soient les plus efficaces,
cisément, le contrat théorique envisagé dans économique à réduire sa consommation car,
ce qui revient à inciter
ce travail de modélisation devra associer un contrairement à la forme des contrats usuels
les consommateurs à être plus
paiement à chaque trajectoire possible de qui lui permettent d’engranger un bénéfice à
réactifs lorsque le producteur
consommation. « Les méthodes nouvelles de la signature du contrat, le contrat optimal ne
les incitera à réduire leur
la théorie des contrats en temps continu per- permet un gain que si une baisse effective de
consommation.
mettent de formuler ce problème et de lui don- la consommation se réalise. Par ailleurs, un
ner une réponse simple capable de réduire de même mécanisme indexé sur la volatilité de la
Le contrat optimal est
façon optimale la consommation d’électricité, consommation permet sa réduction. Si cette
du type « remise », forme
tout en incitant le consommateur à fournir des volatilité baisse, le consommateur est rému-
existant dans le marché : le contrat
réponses régulières aux sollicitations du pro- néré. Dans le cas contraire, il est facturé. Dès
rémunère le consommateur
ducteur », explique René Aïd. lors, la réduction de la volatilité du consomma-
pour sa baisse de consommation
teur assure que ses réponses aux sollicitations
à un prix bien supérieur à la valeur
LE CONTRAT OPTIMAL BASÉ du producteur seront plus régulières. De quoi
SUR UN MODÈLE SIMPLE que le consommateur attribue
envisager une meilleure gestion active de la
à l’énergie. Si la consommation
Le contrat optimal entre le consommateur et le demande de la part des producteurs, et donc
ne réduit pas, alors le
producteur décrit dans ce modèle est constitué un meilleur fonctionnement du système élec-
consommateur paye son électricité
d‘une part fixe et d’une part variable. La part trique dans son ensemble. l
bien plus cher que la valeur qu’il
fixe assure que le consommateur bénéficiera
lui attribue. Un mécanisme
d’un rabais minimum pour accepter le contrat.
similaire indexé sur la volatilité
Cette part fixe ne dépend pas de la consomma- Visionnez ILB Methods n°1
consacré au problème du principal-agent
de la consommation permet de
tion réalisée, contrairement à la part variable du
sur www.louisbachelier.org réduire la variance des réponses.
contrat. Cette dernière, de son côté, rémunère
JUILLET 2019 I LES CAHIERS LOUIS BACHELIER I 13COMMENT MESURER LA PRÉCARITÉ
ÉNERGÉTIQUE EN TEMPS RÉEL ?
Si la précarité énergétique s’est réduite ces dernières années en France, ses modalités
d’évaluation souffrent de lacunes liées aux indicateurs retenus et à la disponibilité de données
récentes. Des chercheurs ont développé une approche pour mesurer finement cette forme
de précarité et aiguiller ainsi les pouvoirs publics dans le ciblage des aides.
L
a précarité énergétique est loin de nationale logement (ENL) effectuée par l’Insee,
constituer un phénomène marginal qui compile les informations les plus fiables et
en France, bien au contraire. Ainsi, complètes sur les caractéristiques des ménages
d’après les derniers chiffres de l’Observatoire et de leur logement dont les deux dernières édi-
national de la précarité énergétique (ONPE), tions ont eu lieu en 2006 et en 2013. « Pour
en 2017, 3,3 millions de ménages ont été en calculer des chiffres fins et actualisés sur la pré-
situation de précarité énergétique. Au total, ce carité énergétique, il faut passer par un modèle
sont 6,7 millions de personnes, soit 11,6 % de ou obtenir de nouvelles données à l’échelle
la population, qui sont concernées. nationale, car l’ENL est trop espacée dans le
Pour rappel, la précarité énergétique est ins- temps », affirme Corinne Chaton. Et d’ajouter :
crite dans la loi Grenelle II de juillet 2010 et « Nous avons décidé d’élaborer un modèle
concerne uniquement les dépenses d’éner- pour pouvoir évaluer la précarité énergétique
gie dans les logements. Elle se caractérise aujourd’hui et en savoir plus sur ce phéno-
lorsqu’un ménage n’a pas suffisamment de mène, sachant qu’il y a eu très peu de publica-
ressources pour satisfaire ses besoins éner- tions scientifiques sur ce sujet ».
gétiques de base (chauffage, électricité…) et/
ou quand ses conditions de vie ne sont pas UNE BAISSE DE LA PRÉCARITÉ
adéquates, en termes d’isolation par exemple. ÉNERGÉTIQUE EN TROMPE-L’ŒIL
« Il est malheureusement courant que les Alors, certes, ce phénomène a baissé de trois
ménages en précarité énergétique soient dans points par rapport à 2013, où il concernait
les deux situations à la fois : ils ont de bas reve- 14,6 % de la population, en raison d’une aug-
nus et vivent dans des passoires thermiques », mentation des revenus des ménages et d’une
observe Corinne Chaton. relative baisse des prix de l’énergie, mais il est
sensible à toute variation des tarifs de vente des
L’OBTENTION DE DONNÉES RÉCENTES énergies. Qui plus est, les méthodes d’évalua-
CONSTITUE UN CASSE-TÊTE tion de la précarité énergétique n’ont pas été
Historiquement, l’ONPE mesure la précarité homogènes sur les deux périodes. Désormais,
énergétique à partir de plusieurs indicateurs pour être considéré en précarité énergétique,
distincts qui ne regroupent pas forcément les dans la dernière étude de l’ONPE, un ménage
mêmes populations : le taux d’effort énergé- doit avoir des revenus parmi les 30 % les plus
tique, qui est le ratio entre les dépenses d’éner- modestes de la population et un taux d’effort
gie d’un ménage dans son logement par rapport énergétique de 8 % ou plus, alors qu’en 2013
à son revenu disponible ; les indicateurs bas et auparavant, l’ONPE prenait en compte les
revenus/dépenses élevées qui considèrent un trois indicateurs mentionnés précédemment
ménage en précarité énergétique si les deux dont un taux d’effort de 10 %. « Ce chan-
D’après Simulation of conditions de faibles revenus et de dépenses gement de seuil ne permet pas de faire des
fuel Poverty, écrit par
énergétiques élevées sont remplies ; et le froid comparaisons homogènes d’une période sur
Corinne Chaton et
Alexandre Gouraud, ressenti, qui est une notion subjective, calculée l’autre et la restriction de l’ONPE à un seul indi-
ainsi qu’un entretien selon les déclarations des ménages. Quant aux cateur retire automatiquement des personnes
avec Corinne Chaton. données utilisées, l’ONPE se base sur l’Enquête de la précarité énergétique », précise Corinne
14 I LES CAHIERS LOUIS BACHELIER I JUILLET 2019Corinne Chaton est économiste, chercheur expert « marché d’énergie et régulation
environnementale » au sein du département EFESE d’EDF R&D. Titulaire d’un doctorat en
économie de l’Université de Toulouse 1 sur la problématique des décisions d’investissement en
environnement incertain, elle a commencé sa carrière dans l’industrie en 1999 au sein de la
direction de la recherche de Gaz de France (désormais ENGIE) en tant qu’économiste. Elle a rejoint
la R&D d’EDF en 2005 et le Laboratoire de Finance des Marchés de l’Énergie en 2006. Ses travaux
sont actuellement orientés sur les problématiques environnementales et la précarité énergétique.
Méthodologie
Les chercheurs ont développé un programme de micro-simulation, avec le langage de programmation R, pour
mesurer la précarité énergétique en temps réel. Ce programme comprend trois modèles économétriques distincts,
s’imbriquant les uns aux autres, qui permettent de calculer et projeter les revenus disponibles des ménages, leurs
dépenses énergétiques et l’impact des rénovations thermiques. Ce travail scientifique s’est appuyé sur l’Enquête
nationale logement (ENL) de 2006. Les chercheurs ont ensuite projeté leurs résultats sur la période 2012-2014,
afin de les comparer avec ceux de l’ENL de 2013.
Chaton. Ce changement s’est fait conjointe- donc de davantage de ménages. En 2018, ce
ment avec l’utilisation par l’ONPE d’un modèle pourcentage était de 17,8 %.
de micro-simulation, dénommé Prometheus, Outre ces différences avec l’ONPE, le modèle
élaboré par le Commissariat général au déve- des chercheurs permet de réaliser des pro-
loppement durable. « Parallèlement à nos tra- jections sur l’évolution de la précarité énergé-
vaux, l’ONPE a décidé de faire un suivi annuel tique, en cas de hausse ou de baisse d’une
de la précarité énergétique en s’appuyant sur variable, par exemple, l’augmentation des
Prometheus. Les premiers résultats sont sortis coûts de l’énergie ou la réduction des revenus
l’an dernier, mais nous ne connaissons pas les des ménages. De quoi permettre aux pouvoirs
caractéristiques de ce modèle », souligne la publics de mieux identifier les personnes en dif-
chercheuse. ficulté et d’orienter ainsi les aides. L’exemple du
chèque énergie est très frappant, car il n’est pas
LE MODÈLE PERMET DE PROJETER adapté à tous les ménages en précarité énergé-
ET D’ANTICIPER LA PRÉCARITÉ tique, en particulier ceux qui ont de bas reve-
ÉNERGÉTIQUE À retenir
nus et qui vivent dans une passoire thermique :
Quant au modèle des chercheurs, il s’appuie sans travaux, leurs factures seront toujours très
Le modèle de micro-
également sur les données de l’Insee, tout en élevées.
simulation, développé
impliquant plusieurs variables importantes qui
par les chercheurs, permet
influent sur la précarité énergétique : le revenu LA RÉNOVATION THERMIQUE NÉCESSITE
UN MEILLEUR CIBLAGE de chiffrer la précarité énergétique
disponible des ménages, leurs dépenses
à une date donnée en fonction
énergétiques et l’impact des rénovations ther- Les rénovations thermiques constituent ainsi
de différentes variables et selon
miques. Il a aussi la particularité d’évaluer la une solution intéressante pour réduire la
plusieurs indicateurs.
précarité énergétique en fonction des diffé- consommation énergétique des logements et
rents indicateurs mentionnés précédemment. des objectifs ambitieux ont été adoptés par les
Ce modèle est capable
« Lorsque nous avons débuté nos travaux, les autorités. Toutefois, pour qu’elles soient effi-
de prédire l’impact
résultats de l’ENL de 2013 n’étaient pas encore caces, les aides financières doivent être ciblées
de variations de revenus et/ou
connus. Nous avons donc utilisé les données et incitatives. « Les aides à la rénovation ther-
des prix de l’énergie sur
de 2006 que nous avons ensuite projetées et mique doivent être orientées vers des popula-
la précarité énergétique,
comparées avec celles de 2013. Cela nous a tions qui en ont vraiment besoin, comme par
afin d’aider à la prévenir.
permis de conforter notre modèle, car nos pro- exemple, des personnes âgées retraitées, qui
jections pour 2013 sont en ligne avec celles de vivent dans leur maison mal isolée. Ces aides
La rénovation
l’ONPE, même si nos chiffres pour 2017 sont doivent aussi comporter des incitations pour les
des logements est un
plus élevés », explique Corinne Chaton. De bailleurs mais éviter des effets pervers, en limi-
moyen de réduire la précarité
fait, selon le modèle des chercheurs, en 2017, tant, par exemple, les hausses de loyers après
énergique, mais elle pose
près de 17 % des ménages étaient en préca- des rénovations thermiques », conclut Corinne
un problème à la fois de ciblage
rité énergétique contre 11,6 % pour l’ONPE. Chaton, qui prévoit de réaliser des projections
des ménages qui en ont besoin
Cette différence est en cohérence avec la prise de la précarité énergétique à des échéances
et d’incitation pour limiter
en compte de plusieurs indicateurs, à savoir le plus lointaines dans le temps et d’inclure le coût
les hausses de loyers de bailleurs
taux d’effort énergétique au seuil de 10 % et les de la mobilité dont la hausse a agité la sphère
après des rénovations.
indicateurs bas revenu/dépenses élevées, et sociale ces derniers mois. l
JUILLET 2019 I LES CAHIERS LOUIS BACHELIER I 15Crédits photo : © EDF/PHILIPPE ERANIAN, © EDF/CHRISTEL SASSO, © EDF/GETTY IMAGES, © EDF/TEUN VAN DEN DRIES/SHUTTERSTOCK, © EDF/XAVIER POPY, Estelle Chhor et Ludovic Le Couster
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