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Cleaner energy microgrids under market power and limited regulation in developing countries

Cet article propose un modèle de jeu à deux niveaux pour optimiser les microgrids dans les pays en développement, démontrant que la régulation des prix et des tarifs de rachat permet de maximiser le surplus économique des ménages et d'atteindre une part de 100 % d'énergie renouvelable en intégrant l'énergie solaire excédentaire malgré le pouvoir de marché des générateurs diesel privés.

Auteurs originaux : Elsa Bou Gebrael (American University of Beirut, Maroun Semaan Faculty of Engineering and Architecture, Industrial Engineering and Management Department Beirut, Lebanon), Majd Olleik (American Univers

Publié 2026-03-19

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Elsa Bou Gebrael (American University of Beirut, Maroun Semaan Faculty of Engineering and Architecture, Industrial Engineering and Management Department Beirut, Lebanon), Majd Olleik (American University of Beirut, Maroun Semaan Faculty of Engineering and Architecture, Industrial Engineering and Management Department Beirut, Lebanon), Sebastian Zwickl-Bernhard (Vienna University of Technology, Institute of Energy Systems and Electrical Drives, Energy Economics Group)

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

🌍 Le Contexte : Un Quartier sans Électricité Stable

Imaginez un quartier dans un pays en développement (comme au Liban, où l'étude a été faite). Le réseau électrique national est comme un tuyau d'arrosage percé : il ne fonctionne pas souvent, et quand il marche, c'est faible.

Pour survivre, les voisins ont dû s'organiser. Ils ont acheté un groupe électrogène diesel (un gros générateur bruyant et polluant) pour alimenter tout le quartier.

Le Problème : Celui qui possède le générateur est un monopole. C'est le seul roi du quartier. Il fixe le prix de l'électricité comme il veut, pollue l'air, et personne ne peut vraiment le contester car le gouvernement est trop faible ou corrompu pour le réguler.
L'Opportunité : En parallèle, de plus en plus de familles installent des panneaux solaires sur leur toit. C'est propre et gratuit (le soleil ne facture pas). Mais il y a un souci : le soleil ne brille que le jour. Le soir, les familles sont à nouveau dans le noir ou dépendent du générateur. De plus, quand il y a trop de soleil, les panneaux produisent plus d'électricité que la famille n'en a besoin, et cette énergie est gaspillée (elle part dans le vide).

🎭 Le Jeu à Deux Niveaux (La Théorie des Jeux)

Les chercheurs ont créé un modèle pour résoudre ce problème. Imaginez cela comme un jeu d'échecs avec deux joueurs :

Le Joueur 1 : Le Régulateur (Le Maire bienveillant mais impuissant).
- Il veut que les habitants paient moins cher et aient plus d'électricité propre.
- Mais il ne peut pas forcer le propriétaire du générateur à faire des pertes d'argent. Il doit être malin.
- Son arme : Il pose deux règles simples (des "plafonds" et des "planchers") :
  - Plafond de prix : "Tu ne peux pas vendre l'électricité plus de X dollars."
  - Plancher de rachat : "Tu dois payer aux voisins au moins Y dollars pour récupérer leur surplus de soleil."
Le Joueur 2 : Le Propriétaire du Générateur (Le Roi du Marché).
- Il veut maximiser ses profits.
- Il regarde les règles du Maire. S'il peut gagner plus d'argent en achetant le soleil des voisins et en installant ses propres panneaux solaires et batteries, il le fera. Sinon, il continuera à brûler du diesel.

🔍 Ce que l'étude a découvert (Les Résultats)

En appliquant ce modèle à un vrai quartier au Liban, les chercheurs ont vu des choses fascinantes :

Le Soleil remplace le Diesel : Avec les bonnes règles (prix plafonnés et rachat du solaire), le quartier passe d'une situation où 0% de l'électricité vient du renouvelable à 60%, voire 100% si le propriétaire du générateur a assez d'argent pour investir.
Gagner pour tout le monde :
- Les habitants gagnent beaucoup d'argent (leur "surplus économique") car l'électricité est moins chère et ils peuvent vendre leur soleil.
- Le propriétaire du générateur ne perd pas d'argent ! Au contraire, en investissant dans des batteries et en achetant du solaire pas cher aux voisins, il fait plus de bénéfices qu'en brûlant du diesel cher.
L'Analogie du "Supermarché du Quartier" :
- Avant, c'était comme un seul vendeur de pain qui fixait le prix à sa guise.
- Maintenant, c'est comme si le maire disait : "Le pain ne peut pas coûter plus de 1€, mais si tu achètes du pain frais fait par les voisins (le solaire), tu dois leur payer au moins 0,10€."
- Résultat : Le vendeur de pain (le générateur) se met à acheter le pain des voisins pour le revendre, car c'est moins cher que de cuire lui-même avec du bois (le diesel). Tout le monde mange mieux et moins cher.

⚠️ La Limite : La Qualité de Service

Il y a un petit bémol. Comme le propriétaire du générateur veut toujours maximiser son profit, il peut parfois décider de ne pas fournir l'électricité aux heures les plus difficiles (par exemple, un soir d'hiver très froid) si cela lui coûte trop cher, même avec les panneaux solaires.

Le régulateur, avec ses seules règles de prix, ne peut pas l'obliger à garantir 100% de la lumière à chaque instant.
Cependant, l'étude montre que même avec ce petit risque de coupure, le gain pour les habitants (moins cher, plus propre) est tellement énorme que cela vaut le coup.

💡 En Résumé

Ce papier dit : "Même dans un pays où le gouvernement est faible et où un seul homme contrôle l'électricité, on peut utiliser des règles de prix intelligentes pour transformer un système polluant en un système solaire propre."

C'est une victoire pour l'économie du quartier : on remplace le diesel bruyant par le soleil silencieux, et le propriétaire du générateur devient un partenaire vert plutôt qu'un ennemi, car cela lui rapporte plus d'argent !

1. Problématique

Dans de nombreux pays en développement, notamment ceux confrontés à des crises géopolitiques, des conflits ou une corruption systémique (comme le Liban, l'Irak ou le Nigeria), les réseaux électriques nationaux sont souvent défaillants ou inexistants. En réponse, des micro-réseaux informels basés sur des générateurs diesel de quartier (Générateurs Diesel de Quartier ou DGC) se sont développés. Ces systèmes sont caractérisés par :

Un pouvoir de marché monopolistique : Les opérateurs de DGC contrôlent à la fois la production et la distribution, agissant comme des monopoles naturels sans surveillance réglementaire efficace.
Une dépendance aux combustibles fossiles : Cela entraîne des coûts élevés, une sensibilité aux perturbations d'approvisionnement en carburant et des externalités négatives importantes (pollution, santé publique).
L'émergence de l'autoconsommation solaire : Les ménages installent de plus en plus de systèmes photovoltaïques (PV) hors réseau pour gagner en autonomie. Cependant, ces systèmes souffrent de gaspillage d'énergie excédentaire pendant les heures de pic solaire et d'insécurité d'approvisionnement le reste du temps.

Le défi central est de concevoir une politique réglementaire qui, malgré une surveillance limitée et sans menacer la rentabilité des DGC existants, permette d'intégrer l'énergie solaire des ménages dans le micro-réseau pour réduire les coûts, augmenter la part des renouvelables et améliorer le surplus économique des ménages.

2. Méthodologie

Les auteurs proposent un modèle de jeu hiérarchique (bi-niveau) de type Stackelberg pour représenter l'interaction stratégique entre le régulateur et le DGC.

Niveau 1 : Le Régulateur (Leader)

Objectif : Maximiser le Surplus Économique des Ménages (HES). Ce surplus est composé de la valeur de la demande satisfaite (moins le prix payé) et de la valeur de l'électricité injectée par les propriétaires de PV.
Contraintes :
- Le profit du DGC sous la nouvelle politique doit être au moins égal à son profit de référence (statut quo), garantissant ainsi sa participation.
- Le régulateur ne peut pas imposer de contraintes directes sur la production ou l'accès, mais peut fixer des plafonds de prix.
Variables de décision :
- $P_{max}$ : Plafond du prix de vente de l'électricité par le DGC aux ménages.
- $FiT_{min}$ : Plafond (ou plutôt plancher, selon la formulation) du tarif de rachat (Feed-in Tariff) pour l'électricité injectée par les ménages vers le DGC.

Niveau 2 : Le DGC (Suiveur)

Objectif : Maximiser sa Valeur Actuelle Nette (VAN) des profits.
Variables de décision :
- Fixer le prix de vente $P$ (sous $P_{max}$ ) et le tarif de rachat $FiT$ (au-dessus de $FiT_{min}$ ).
- Gérer le calendrier de production (diesel, batteries, PV propre).
- Décider des investissements en capacité (ajout de PV, batteries, retrait de diesel).
- Gérer l'accès au réseau et la quantité d'énergie achetée aux ménages.
- Minimiser la demande non satisfaite (avec une pénalité très faible $\epsilon$ ).
Contraintes techniques : Équilibre offre-demande, contraintes de budget d'investissement, courbes de taux de chaleur du diesel (modélisées par morceaux), et contraintes de stockage.

Approche de résolution

Le modèle non linéaire est résolu par itération sur une grille de couples $(P_{max}, FiT_{min})$ . Un lemme mathématique démontre que le DGC optera toujours pour les limites imposées ( $P = P_{max}$ et $FiT = FiT_{min}$ ) pour maximiser ses profits, permettant de traiter ces variables comme des paramètres fixes lors de l'optimisation du niveau 1.

3. Contributions Clés

Modélisation du pouvoir de marché : Contrairement aux études techno-économiques classiques qui supposent des opérateurs neutres, ce modèle intègre explicitement le comportement stratégique d'un monopole privé (DGC) dans un contexte de régulation faible.
Cadre réglementaire réaliste : Le modèle propose des mécanismes de régulation (plafonds de prix et de tarif de rachat) réalisables politiquement dans des contextes où l'État ne peut pas exproprier ou nationaliser les actifs privés.
Validation empirique : Application du modèle à un micro-réseau réel à Deir Qanoun Ennaher (Liban) avec des données de charge réelles collectées via des dispositifs d'enregistrement (loggers) sur 8 mois.

4. Résultats Principaux

L'étude de cas au Liban révèle les résultats suivants :

Amélioration du Surplus Économique (HES) : La mise en place de plafonds de prix et de tarifs de rachat augmente le HES de 18 % par rapport au statut quo (avec un budget d'investissement constant).
Intégration des renouvelables :
- La part des énergies renouvelables passe de 0 % (statut quo) à 60 % dans le scénario de base.
- Le gaspillage de l'énergie solaire excédentaire des ménages chute de 58,8 % à 6,2 %.
Impact du Budget d'Investissement :
- Des budgets d'investissement plus élevés permettent au DGC de remplacer le diesel par des systèmes PV-Batterie moins chers, réduisant ainsi le prix final pour le consommateur.
- Avec un budget non contraignant, le HES peut augmenter de 41 % et la part des renouvelables approcher 100 %.
Rôle de la pénétration des propriétaires PV :
- L'amélioration du HES est maximale lorsque la part des ménages propriétaires de PV atteint environ 90 %.
- En dessous de 10 % de pénétration, l'introduction de PV peut même réduire le HES si le DGC ne peut pas optimiser l'achat d'énergie excédentaire.
Limites de la régulation par les prix :
- Bien que les plafonds de prix augmentent l'efficacité économique, ils ne suffisent pas à maintenir le niveau de fiabilité (demande non satisfaite) du réseau diesel pur.
- Cependant, la perte de HES due à cette limitation de la fiabilité est faible (< 5-7 %) sauf dans des conditions de budget très serré ou de faible pénétration solaire.

5. Signification et Implications

Cette recherche démontre qu'il est possible de transformer des micro-réseaux polluants et monopolistiques en systèmes plus propres et efficaces, même en l'absence d'une régulation forte ou de capacité de l'État à contrôler directement les opérateurs.

Politique publique : Les gouvernements peuvent utiliser des outils simples (plafonds de prix et tarifs de rachat minimaux) pour inciter les opérateurs privés à intégrer les énergies renouvelables sans menacer leur viabilité financière.
Transition énergétique : L'étude valide le potentiel des communautés énergétiques dans les pays en développement, où l'autoconsommation et le partage d'énergie (P2P ou via le DGC) peuvent réduire la dépendance au diesel et améliorer l'accès à l'électricité.
Économie comportementale : Elle souligne l'importance de concevoir des modèles qui tiennent compte des incitations réelles des acteurs dominants (les DGC) plutôt que de supposer une optimisation sociale idéale qui serait rejetée par le marché.

En conclusion, l'article fournit une feuille de route technique et économique pour moderniser les réseaux électriques informels dans les zones de crise, en équilibrant les intérêts des ménages, des investisseurs privés et de l'environnement.