On nomme monopole naturel les secteurs d'activité économique qui se caractérisent par des rendements strictement croissants (le coût de production de la dernière unité est inférieur à celui de toutes les précédentes) et par conséquent par des coûts moyens strictement décroissants (le coût moyen diminue avec le volume de production) et pour lesquels un opérateur unique est nécessairement plus performant que plusieurs opérateurs. Il s'agit en général d'activités dont les coûts d'investissement (coûts fixes) sont si élevés qu'il ne serait pas viable de les multiplier pour permettre l'introduction de la concurrence. Un exemple évident : le tunnel sous la Manche.
Un marché est en situation de monopole naturel quand le plus faible niveau possible de coût de production est assuré par entreprise unique qui fournit la totalité de l'offre.
L'existence de coûts moyens décroissants interdit l'application des règles économiques de la concurrence pure et parfaite et de la tarification au coût marginal. Des règles spécifiques ont été développées, en particulier par Marcel Boiteux, ancien président d'EDF.
Les exemples de monopoles naturels donnés généralement sont ceux des réseaux d'infrastructure : réseau ferroviaire, réseau routier et autoroutier, réseau de distribution d'eau, de gaz, d'électricité, ports, aéroports, ... .
Cette situation pourrait donner un pouvoir exorbitant à l'entreprise exploitante. Ainsi le droit de la concurrence a obligé les opérateurs à permettre l'accès à ces installations en vertu de la théorie des infrastructures essentielles. L'intervention des pouvoirs publics a également été sollicitée sous des formes diverses : exploitation publique, nationalisation, ou contrôle étroit de la gestion privée par l'intermédiaire d'un régulateur ou d'une autorité ad-hoc (à travers par exemple d'une délégation de service public). À noter que ce pouvoir de l'État peut devenir une source de surcoût pour l'utilisateur (licences d'exploitation), de corruption (attribution des concessions) et que, dans certains cas où l'État exerce lui-même le monopole par le biais d'entités publiques, c'est lui-même ou ces entités et leur personnel qui se retrouvent détenir ce pouvoir important. Il est donc essentiel que leurs responsabilités et pouvoirs soient clairement définis et que les citoyens et leurs représentants disposent de moyens de contrôle précis pour que ces entités remplissent efficacement leur mission.
Lorsqu'il est possible de dissocier techniquement la gestion de l'infrastructure de celle des services rendus au client final, les tenants de la théorie libérale appliquée à l'économie (c'est notamment le cas de la politique de concurrence suivie par l'Union européenne) pensent qu'il est possible de maintenir la première dans le cadre d'une forme de monopole contrôlé et d'organiser la concurrence dans les services. Ce point est une application de la théorie des trois couches.
L'appel à la gestion privée, et même au financement et à l'investissement privé, ne pose pas de difficultés dans le cas de la construction et de l'exploitation des autoroutes. En pratique, celles-ci sont gérées soit par la puissance publique, soit par des sociétés privées dans le cadre de concessions, tandis que l'accès au service est ouvert à tous sans discrimination. Ainsi les entreprises de transport routier, concurrentes entre elles, peuvent emprunter la même infrastructure.
Dans le cas des réseaux ferroviaires, la dissociation est plus délicate à organiser, car les liens entre les véhicules et la voie sont plus étroits que dans le cas des autoroutes, ne serait-ce que par l'impossibilité de fait pour deux véhicules de se doubler. Il faut donc que dans ce cas, l'exploitation ferroviaire, c'est-à-dire l'organisation des circulations (graphiques de circulation, horaires, gestion des aiguillages et de la signalisation) soit aussi intégrée dans le monopole. C'est ce qui est organisé dans les différents réseaux ferroviaires européens, ce qui constitue une singularité de l'Europe, car dans le reste du monde les grands réseaux ferroviaires, qu'ils soient privés (États-Unis), ou publics (Russie) sont tous intégrés. Une deuxième difficulté réside dans la tarification. En effet, un service public peut pratiquer une péréquation tarifaire, c'est-à-dire pratiquer le même type de tarification quelques soient les coûts. Cette méthode permet notamment de participer à l'aménagement du territoire en ne défavorisant pas les zones rurales dans lesquelles les coûts sont plus élevés de part le moindre nombre de passagers. Au contraire, une entreprise privée pratique une tarification correspondant aux coûts, ce qui amène les entreprises ferroviaires privées à délaisser voire abandonner les zones rurales.
L'acheminement de l'électricité est plus complexe à gérer car l'électricité n'est pas stockable. Il est donc nécessaire d'équilibrer à chaque instant l'approvisionnement en fonction du besoin. Cela nécessite un organisme de régulation qui de toute manière préexistait mais dont la mission s'est considérablement complexifiée. En France par exemple, cet organisme est RTE, une division d'EDF chargée de gérer en permanence l'équilibre du réseau.
Dans tous les cas, l'ouverture de l'accès des réseaux à plusieurs exploitants, de statut privé ou public, mis en concurrence, nécessite la mise en place d'une instance de régulation, parfois appelée « autorité », qui joue le rôle d'un arbitre et doit veiller en permanence que l'accès soit effectivement ouvert à tout exploitant habilité et qu'il soit équitable pour que la concurrence ne soit pas faussée. Ainsi pour le secteur de l'électricité a été créée en France la Commission de régulation de l'électricité (CRE).
Les transporteurs privés de courriers sur les secteurs en concurrence (pli express notamment) ont montré que la duplication des réseaux pouvait être viable en pratique.
Pour la gestion du monopole naturel, les économistes libéraux prônent une concurrence au niveau des appels d'offres privés, et soutiennent que la notion de monopole naturel est souvent utilisée abusivement, d'autant que le territoire qu'il concerne est difficile à déterminer (région ? pays ? continent ?), mais devrait de toute façon être déterminé dans un appel d'offre. D'autres préconisent un monopole public, surtout quand on a affaire à des secteurs stratégiques, de première necessité ou alors qui traitent des données confidentielles, mais tous (à l'exception des ultra-libéraux) reconnaissent la nécessité d'un contrôle public de sa gestion.
Sociétés de service public
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