La lutte contre le réchauffement climatique et la réduction des tensions dues à l’utilisation des ressources requièrent des changements drastiques quant à la façon dont l’humanité interagit avec l’environnement et comment elle doit concevoir et gouverner les systèmes énergétiques à l’avenir, autrement dit comment arriver à des systèmes durables. La mise en œuvre de cette transition touche notamment les territoires infranationaux où sont localisées la majeure partie de la production des déchets et de la pollution mais également plusieurs ressources dont l’exploitation peut contribuer à l’atteinte d'objectifs ambitieux de décarbonation et de durabilité. Cela place les collectivités locales comme des acteurs incontournables dans cette transition, qui sont davantage pris en compte dans la définition des politiques visant la décarbonation des systèmes énergétiques. En France, la déclinaison de la politique énergétique vers ces territoires atteint une étape importante avec la loi relative à la Transition Energétique pour la Croissance Verte de 2015 car elle invite ces derniers à contribuer à la décarbonation du pays en favorisant la mobilisation des ressources énergétiques locales, renouvelables, en leur donnant davantage de compétences pour le faire. La France envisage également de passer à une économie circulaire, laquelle vise à instaurer un système de consommation et production plus durable, en transformant les déchets en ressources qui seront réutilisées dans le système économique, minimisant ainsi la consommation de ressources et la production de pollution. Pour tous ces enjeux à relever pour construire demain, l’utilisation d’outils de modélisation prospective s’avère déterminante en ce qu’elle permet de répondre aux différentes questions qui émergent dans la poursuite de solutions énergétiques durables et neutres en carbone. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse réside dans l’étude de systèmes énergétiques locaux, en particulier de la région française SUD PACA et des options qui s’offrent à elle pour assurer une transition énergétique et d’économie circulaire. Dans un premier temps, les enjeux énergétiques considérés par des outils de modélisation énergétique ont été discutés au cours du temps en montrant comment singulièrement ces modèles ont convergé vers l’étude de la transition énergétique tant au niveau mondial que national et, en particulier, comment ces études s’appliquent de plus en plus aux systèmes énergétiques de territoires infranationaux. Puis, nous avons mis en évidence le rôle croissant pris par les collectivités territoriales dans la définition et la mise en œuvre de politiques énergie-climat-environnement, en nous concentrant en particulier sur le cas de la France. Malgré l’intérêt croissant porté par les gouvernements, les scientifiques et les entreprises au concept d’économie circulaire comme stratégie pour faire face aux problématiques d’épuisement des ressources, un consensus fait défaut quant à ses principes, objectifs et définition. Pour y contribuer, nous proposons une définition intégrant les aspects clés qui ont été mentionnés dans différentes études concernant ce concept. Finalement, en nous appuyant sur le modèle de prospective TIMES SUD PACA que nous avons construit, nous montrons que les collectivités territoriales sont déterminantes pour atteindre les objectifs de décarbonation nationaux et internationaux, à travers la mobilisation de leurs ressources et l'adoption de politiques de décarbonation ambitieuses adaptées à leur contexte économique et démographique. Pour se faire, l’économie circulaire est un levier incontournable, mais elle doit être accompagnée d’une allocation stratégique de leurs ressources : par exemple dans le cas de la région SUD PACA, destiner l’hydrogène aux poids lourds et à la production de gaz de synthèse, ce dernier devant alors n’être alloué qu’aux secteur industriel, ou encore prioriser la récupération de chaleur dans le secteur résidentiel-tertiaire.