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Decarbonizing Public Bus Transport – a case study on Curitiba, Brazil
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Energy and Climate Studies, ECS.
2018 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Air pollution is becoming a major issue in cities across the world, its common cause being the use of fossil fuel combustion engines in both private and collective transport modes. However, alternative technologies, such as biofuels, hybrid and battery electric vehicles, are on the rise.

The objective of this thesis is to assess the optimal system’s configuration – a combination of electric traction and the use of biofuels – in a sub-group of Curitiba’s public bus network through the application of two optimisation models – least energy consumption and least cost. Based on these models, total energy, cost and greenhouse gas (GHG) emissions can be calculated for different scenarios to identify the advantages of switching to a low-carbon system. Furthermore, these models can be used by planners and decision makers as a starting point in defining the path towards a cleaner transport system.

The results from the energy optimisation indicate that electrification is key in reducing total energy consumption, as this technology is by far the most energy efficient. A 12% reduction could be achieved, when compared to the current scenario (only using diesel B7), and CO2 emissions could be cut by 74%.

The cost optimisation shows that electrification is not yet cost competitive compared to other biofuels (biodiesel, bioethanol and biogas), as biodiesel is the only technology selected by the model due to its overall lower cost. Nonetheless, if electricity costs are reduced, which can be achieved, for example, through a reduction or abolition of taxes, electrification becomes an attractive alternative to biofuels. Under these conditions (40% lower electricity price), energy consumption is reduced by 5% and GHG emissions are cut down to 30%.

Political will and strategies to decrease the cost of vehicles turn out to be essential in supporting electrification in public transport. Furthermore, adaptations in the time schedules and the organisation of the main transport hubs are required to accommodate battery electric buses.  The number of fast charging stations is usually on a par with the number of bus routes to be electrified. Cost synergies achieved by sharing the cost of a charger among electrified routes with a common start/end stop are crucial to secure the attractiveness of e-mobility. This underlines the importance of analysing infrastructure needs in public transport networks holistically.

Abstract [pt]

A poluição atmosférica é um problema sério em praticamente todas as grandes cidades do mundo, sendo a sua origem mais comum, o uso de combustíveis fósseis em motores de combustão, tanto em veículos de uso privado como em veículos de transporte coletivo. No entanto, tecnologias alternativas, tais como o uso de biocombustíveis, e a utilização de veículos híbridos e elétricos, estão em expansão.

Esta tese tem como objectivo avaliar a configuração ideal do sistema, utilizando, num subgrupo da rede de transportes de Curitiba, uma combinação de tração elétrica e de uso de biocombustíveis. Esta avalição é feita através da aplicação de dois modelos de optimização: menor consumo energético e menor custo global. Com base nestes dois modelos, o consumo energético e os custos globais, bem como as emissões de gases de efeito de estufa (GEE), podem ser calculados para os diferentes cenários, de modo a se identificarem as vantagens da transição para um sistema de baixo carbono. Acresce que estes dois modelos podem ser usados por planeadores e decisores, como ponto de partida na definição do caminho a seguir para a transição para um sistema de transporte mais ecológico.

Os resultados da otimização do consumo energético, indicam que a eletrificação é fundamental para reduzir o consumo total de energia, pois esta tecnologia é, de longe, a mais eficiente em termos energéticos. Uma redução do consumo total de energia em 12% poderá ser alcançada em relação ao cenário actual (que use apenas o diesel B7) e as emissões de CO2 poderão ser reduzidas em 74%.

Na otimização de custos, os resultados mostram que a eletrificação ainda não é competitiva em termos de custos, quando comparada com o uso de biocombustíveis (biodiesel, bioetanol e biogas), uma vez que o biodiesel é a única tecnologia selecionada pelo modelo por ter menores custos associados. No entanto, se os custos da eletricidade forem reduzidos, nomeadamente, através da diminuição ou supressão de impostos, a eletrificação torna-se uma solução atrativa. Numa situação de redução do preço da energia elétrica em 40 %, o consumo de energia é reduzido em 5% e as emissões de GEE são reduzidas para 30%.

Vontade política e estratégias destinadas a diminuir o custo dos veículos elétricos, tornam-se essenciais para promover a eletrificação dos transportes públicos. Acresce que, a adaptação dos horários e a organização dos principais terminais de transporte, são necessários para possibilitar a  operacionalidade dos ônibus elétricos. De acordo com os resultados dos dois modelos, o número de estações de recarga rápida é aproximadamente igual ao número de rotas de ônibus a serem eletrificadas. A redução de custos alcançada, partilhando um carregador entre rotas electrificadas com paragens inicial/final comuns, é crucial para garantir a atratividade da mobilidade eléctrica. Isto sublinha a importância dos benefícios de uma análise holística da infrastrutura de recarga nas redes de transporte público coletivo.

Abstract [sv]

Luftföroreningar är en stor utmaning i städer runt om i  världen. Den gemensamma orsaken är användningen av förbränningsmotorer med fossila bränslen i både privata och kollektiva transportsätt. Dock alternativt teknik, såsom biobränslen, hybrid- och batterielektriska fordon, har uppmärksammats och deras användning ökar.

Syftet med denna avhandling är att bedöma det optimala systemets konfiguration - en kombination av elektrisk drivkraft  och användningen av biobränslen - i Curitibas allmänna bussnät genom tillämpning av två optimeringsmodeller – en som minimiserar  energiförbrukning och en som minimizerar kostnader. Baserat på dessa modeller, de totala utsläpp och energiförbrukningen, samt deras respektiva kostnader kan beräknas för olika scenarier. På detta sätt  fördelarna med att byta till ett kolfrisystem identifieras. Dessutom kan dessa modeller användas av planerare och beslutsfattare som utgångspunkt för att definiera strategier mot en renare transportsystem.

Resultaten från energioptimering indikerar att elektrifiering är nyckeln till att minska  systemets energiförbrukning, eftersom denna teknik är överlägset mest energieffektiv. En minskning på 12% skulle kunna uppnås, jämfört med det utgångsscenariot (endast med diesel B7) och koldioxidutsläppen skulle kunna minska med 74%.

Kostnadsoptimeringen visar att elektrifiering ännu inte är kostnadseffektiv jämfört med andra biobränslen (biodiesel, bioetanol och biogas). I detta scenario är biodiesel den enda tekniken som valts av modellen på grund av dess lägre kostnad. Men om elkostnaderna minskas blir elektrifiering ett attraktivt alternativ till biobränslen. Detta skulle kunna uppnås, till exempel, genom skattebefrielse.  Under dessa förutsättningar (40% lägre elpris) minskas energiförbrukningen med 5% och utsläppen minskar med30%.

Politisk vilja och strategier för att minska fordonskostnaden visar sig vara avgörande för att stödja elektrifiering av kollektivtrafiken i Curitiba. Dessutom anpassningar av tidstabellerna och organisationen av de viktigaste bytespunkter är nödvändiga. Antalet snabba laddstationer är vanligtvis i linje med antalet busslinjer som ska elektrifieras. Kostnadssynergier uppnås genom att dela kostnaden för en laddare bland elektrifierade linjer med ett gemensamt start / slutstopp. Det är avgörande för att säkerställa e-mobilitetens attraktivitet. Det visar också vikten av att analysera infrastrukturbehoven i kollektivtrafiknätet holistiskt.

 

Place, publisher, year, edition, pages
2018. , p. 90
Keywords [en]
Battery electric bus, Brazil, Charging station, Curitiba, Greenhouse gas emissions, Opportunity charging, Optimisation, Public transport network
Keywords [pt]
Brasil, Carregamento de oportunidade, Curitiba, Estação de recarga, Gases com efeito de estufa, Ônibus eléctricos a baterias, Otimisação, Sistema de Transporte Público
Keywords [sv]
Batteribuss, Brasilien, Laddstation, Curitiba, Växthusgas utsläpp, Opportunity Charging, optimering, kollektivtrafik
National Category
Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-226560OAI: oai:DiVA.org:kth-226560DiVA, id: diva2:1199275
Supervisors
Examiners
Available from: 2018-04-20 Created: 2018-04-20 Last updated: 2018-04-20Bibliographically approved

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By organisation
Energy and Climate Studies, ECS
Energy Engineering

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