L'Amérique Centrale et l'Amérique du Sud couvrent ensemble plus de 12% de la surface émergée du globe, et abritent plus de 450 millions d'habitants. Cette région se remarque sur la scène énergétique mondiale par la contribution exceptionnelle des énergies renouvelables dans sa matrice énergétique. Préserver cette configuration vertueuse est un réel défi : alors que les énergies « conventionnelles » (hydroélectricité, biomasse) sont confrontées à des problèmes de soutenabilité, les « nouvelles » options de production (éolien, solaire, géothermie) ne parviennent pas à s'affranchir du soutien des pouvoirs publics. Pourtant, les faibles réserves fossiles du continent et son extraordinaire potentiel de production renouvelable en font un candidat idéal pour mener la transition vers une matrice énergétique respectueuse de l'environnement. Une autre thématique d'intérêt régional est la contribution du secteur énergétique à une croissance économique socialement bénéfique et respectueuse de l'environnement, dans un continent en développement rapide. Le changement climatique, enfin, propose diverses problématiques continentales. L'Amérique latine se situe au-dessus de la moyenne mondiale pour ses émissions par habitant ; dans le même temps, plusieurs études considèrent que la région sera parmi les plus touchées par les effets du changement climatique. La matrice énergétique sud-américaine est sensible à ces effets, à la fois sur l'amont de la chaîne (hydroélectricité, biomasse) et sur l'aval (augmentations de demande pour e.g. l'agriculture et l'air conditionné). Malgré ces problématiques et points forts partagés à l'échelle régionale, l'Amérique latine reste un continent hétérogène et fragmenté. Sa configuration physique limite l'intégration régionale, et l'héritage de deux siècles de guerre complique les relations politiques à l'échelon national. L'évolution historique de la région a entraîné de fortes disparités entre les secteurs énergétiques nationaux, et plusieurs tentatives de coopération sur des infrastructures transnationales se sont récemment soldées par de coûteux échecs.L'objectif de cette thèse est le développement d'un modèle mathématique adapté à l'étude des problématiques énergétiques régionales de long terme pour l'Amérique du Sud. Ce modèle, TIMES-América y el Caribe, nous permet d'étudier l'impact des politiques climatiques nationales pour le secteur énergétique régional, dans le contexte de la préparation de la conférence mondiale du climat de Paris, en décembre 2015.Ce document est divisé en cinq chapitres. Le chapitre 1 propose un panorama historique de l'Amérique latine. Ce panorama est complété par une description de l'évolution historique du secteur énergétique sud-américain et de ses spécificités et défis actuels. Le chapitre 2 présente les concepts de prospective et de modélisation par scénarios, ainsi qu'une revue historique et un état de l'art de la prospective énergétique en Amérique du Sud. Le chapitre 3 détaille les principales caractéristiques du modèle : sa désagrégation géographique en dix régions, les règles de modélisation, la structure et les principales hypothèses utilisées pour l'offre énergétique et la demande finale (drivers macroéconomiques, potentiels et coûts d'extraction). Le chapitre 4 présente la problématique du changement climatique et ce qu'elle implique pour l'Amérique du Sud ; il décrit aussi les négociations climatiques internationales, depuis leurs débuts en 1972 jusqu'aux propositions actuellement débattues. Enfin, le chapitre 5 propose une application directe du modèle présenté plus haut, à travers l'analyse des impacts de ces contributions pour le secteur énergétique sud-américain, et inversement la contribution potentielle de ce secteur au vu des divers engagements nationaux.