Thèse Année : 2025

Competing green technologies : The case of low-carbon hydrogen

Technologies vertes concurrentes : le cas de l'hydrogène bas-carbone

Albin Kasser
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1598764
  • IdRef : 291439926

Résumé

This dissertation investigates the economic competition among green technologies in the context of the energy transition, with a particular focus on low-carbon hydrogen. Beyond the classic "grey-to-green" paradigm that models cleaner technologies replacing fossil-fuel-based alternatives, this work emphasizes the increasingly relevant competition within green technologies. Low-carbon hydrogen provides a particularly illustrative case, as competition arises both internally, between hydrogen-based technologies, and externally, between hydrogen and alternative solutions such as electrification. This competition concerns both production pathways and end-use applications, and reflects either the substitution of carbon-intensive solutions or the allocation of scarce low-carbon resources. The dissertation seeks to understand how policy instruments, induced technological change and uncertainty interact to shape the deployment and allocation of competing low-carbon technologies. It is structured around three core chapters.The first chapter explores the competition between battery-electric and fuel cell buses, using a dynamic optimization model that incorporates learning-by-doing and market segmentation. The analysis shows how a niche market (for example, long-range routes) can sustain the survival of a higher-cost technology that is better suited to that specific segment, such as hydrogen, if it receives early support. The model highlights the importance of timing and deployment scale in shaping long-term outcomes, especially depending on whether technical change is treated as endogenous or exogenous. Learning-by-doing can help alternative technologies overcome early cost barriers if the niche is sufficiently large, but strong learning in other markets, as with batteries, can also allow initially less-suited technologies to capture it.The second chapter develops a framework for allocating limited green hydrogen across competing end-uses to maximize social welfare. It introduces a "hydrogen merit order" that ranks sectors according to both abatement costs and the opportunity cost of abatement. A dynamic model captures how optimal allocation evolves with the carbon price and prioritizes early investment in sectors with high learning potential or limited low-carbon alternatives. Applied to the Marseille-Fos industrial cluster, the analysis highlights the importance of targeting sectors like chemicals and steel to avoid costly misallocation.The third chapter builds a model of competition between two low-carbon technologies under cost uncertainty, firm risk aversion, and information asymmetry between firms and policymakers. It analyzes the design of technology-neutral versus technology-specific support schemes and compares price and quantity policy instruments. The analysis is motivated by debates surrounding the design of carbon contracts for difference that have been proposed to support the deployment of hydrogen in the industry.The model is then applied to low-carbon hydrogen production, comparing water electrolysis and steam methane reforming with carbon capture and storage. It appears that the gains from targeted support increase with technology substitutability but decline as climate ambition rises.This dissertation combines theoretical modeling and numerical simulation to explore key questions in environmental, energy, and innovation economics. While hydrogen serves as the primary empirical case, the insights aim to inform broader governance challenges in managing low-carbon technological competition and designing effective public support mechanisms for the energy transition.

Cette thèse étudie la concurrence économique entre technologies vertes dans le cadre de la transition énergétique, et s'intéresse tout particulièrement à l'hydrogène bas-carbone. Au-delà du paradigme classique « du gris au vert », qui modélise le remplacement de technologies fossiles par des alternatives plus propres, ce travail met en lumière la concurrence croissante entre technologies vertes. L'hydrogène bas-carbone en offre un cas particulièrement illustratif, la concurrence s'exerçant d'une part en interne, entre différentes filières hydrogène, et d'autre part en externe, face à d'autres solutions comme l'électrification directe. Cette concurrence concerne aussi bien les modes de production que les usages finaux de l'hydrogène. Elle s'inscrit soit dans une logique de substitution des solutions carbonées, soit dans un arbitrage sur l'allocation des ressources bas-carbone. La thèse analyse comment les politiques publiques, le changement technique induit, et l'incertitude façonnent le déploiement ainsi que l'allocation des technologies bas-carbone concurrentes. Elle s'articule en trois chapitres.Le premier chapitre examine la concurrence entre bus électriques à batteries et bus à pile à combustible hydrogène, à travers un modèle de contrôle optimal intégrant apprentissage par la pratique et segmentation de marché. L'analyse illustre comment un marché de niche (par exemple, le segment longue distance des bus) peut permettre la survie d'une technologie plus coûteuse mais mieux adaptée, comme l'hydrogène, en cas de soutien initial. Le modèle souligne l'importance du rythme et de l'échelle de déploiement, selon que le changement technique est endogène ou exogène. L'apprentissage par la pratique sur une niche peut aider les technologies hydrogène à franchir des barrières de coûts initiales. Cependant, un apprentissage rapide sur d'autres marchés plus larges, notamment pour les batteries, pourrait permettre à une technologie initialement moins adaptée de s'y imposer.Le deuxième chapitre propose un cadre pour allouer de manière optimale un volume limité d'hydrogène vert entre des usages concurrents afin de maximiser le bien être social. Il introduit un « ordre de mérite de l'hydrogène » classant les secteurs selon leurs coûts d'abattement et le coût d'opportunité lié à cet abattement. Un modèle dynamique décrit l'évolution de l'allocation optimale avec le prix du carbone, en priorisant les secteurs au fort potentiel d'apprentissage ou aux alternatives limitées. Appliquée au cluster industriel de Marseille-Fos, l'analyse démontre l'importance de cibler des secteurs comme la chimie et la sidérurgie pour éviter une allocation de l'hydrogène socialement sous-optimale.Le troisième chapitre propose un modèle mettant en concurrence deux technologies bas-carbone, avec incertitude sur les coûts, aversion au risque des entreprises, et asymétrie d'information entre entreprises et autorités publiques. Il analyse la conception de dispositifs de soutien neutres ou spécifiques aux technologies, et compare instruments en prix et en quantité. L'étude s'appuie sur les débats relatifs aux « contrats carbone pour différences » envisagés pour soutenir la production d'hydrogène. Le modèle est appliqué à la comparaison entre électrolyse de l'eau et réformage du méthane avec captage et stockage du carbone. Il apparaît que les gains d'un soutien technologiquement spécifique augmentent avec la substituabilité entre technologies, mais diminuent avec l'ambition climatique.En combinant modélisation théorique et simulations numériques, cette thèse explore des questions centrales en économie de l'environnement, de l'énergie et de l'innovation. Si l'hydrogène constitue l'étude de cas principale, les enseignements visent à éclairer plus largement les dynamiques de concurrence entre technologies bas-carbone et la conception d'instruments de politiques publiques efficaces pour la transition énergétique.

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  • HAL Id : tel-05330503 , version 1

Citer

Albin Kasser. Technologies vertes concurrentes : le cas de l'hydrogène bas-carbone. Economies et finances. Université Paris-Saclay, 2025. Français. ⟨NNT : 2025UPASI007⟩. ⟨tel-05330503⟩
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