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Perspectives on road transport decarbonization in Europe

a model-based analysis

Rottoli, Marianna

The decarbonization of road transport is a central challenge for the transition to climate neutrality. There is, however, considerable debate on suitable instruments for achieving zero-emissions road transportation. A range of alternative technologies could prove to be suitable to this aim, namely battery electric vehicles, fuel-cell electric vehicles and e-fuels. In parallel to the technological dimension, the relative roles of carbon pricing and other sector-specific policies is currently discussed at a political level. Transport-specific bottom-up models are generally used to analyse the technological and behavioural factors involved in road transport decarbonization, while large scale energyeconomy-environment models offer the fitting framework for exploring the impact of transport decarbonization on the wider system as well as the effectiveness of top-down measures such as carbon taxation. With the aim of contributing to the model-based research field studying the transport decarbonization opportunities, I co-developed a detailed transport model, EDGE-T, and soft-linked it with an Integrated Assessment Model (IAM), REMIND. The purpose of EDGET is to provide a detailed environment to evaluate transport-specific policies, with a fine-grained representation of technological options and transport alternatives. REMIND on the other hand provides a coherent framework of the full energy-economy system, which ensures the consistency of transportation demand with economic drivers, the energy supply system, and competing demands from other energy end-uses. This system hence features the feedback between the competition for scarce resources at a macroeconomic level and the transport related technological and modal choices. The EDGE-T model can be both used as a stand-alone model to provide detailed transport specific analyses as well as in combination with REMIND. In the stand-alone version, EDGE-T can easily be tested, improved and updated as technologies advance and new knowledge about transport sector decarbonization options becomes available. Soft-linking EDGE-T with the IAM allows to perform full-system analyses featuring both supply and demand sectors, maintaining the high detail on the transport representation via the iterative coupling. With the obtained modelling framework, I first focus on the technological dimension and explore a range of electrification pathways for light-duty vehicles in Europe. I find that direct electrification has the potential for a substantial decarbonization of road-based private passenger transportation. Indirect electrification via H2 or synthetic fuels is in principle also viable, but would imply a significantly higher energy demand and would be less effective due to the lower maturity of the required technologies, their higher cost and the low energy efficiency of the production chain. I then broaden the analysis to the whole European road sector, analysing the separate and combined decarbonization potential of alternative policy packages, namely carbon taxation and internal combustion engines phase-out. My results indicate that phase-out policies can substantially accelerate the transition in the road transport segment, while a carbon tax alone has a smaller impact on consumer choices and emissions. However, carbon tax and phaseout policies are complementary, as phase-out policies alone accelerate the demand-side transition but are unable to incentivize the decarbonization of the energy supply. In sum, this thesis explores a range of decarbonization pathways for the road transport sector in Europe. The main tool used for this analysis is a flexible and detailed transport model featuring a variety of transport modes and powertrain options soft-linked to an IAM. The unique features of this modelling setup allow to combine a rich set of transport decarbonization options, namely technological shift, energy-supply transformation and activity reduction with a coherent and detailed representation of the rest of the economy and the energy sector.
Die Dekarbonisierung des Straßenverkehrs ist eine zentrale Herausforderung für den Übergang zur Klimaneutralität. Es gibt jedoch eine umfassende Debatte über geeignete Instrumente zur Erreichung eines emissionsfreien Straßenverkehrs. Eine Reihe von alternativen Technologien könnte sich als geeignet erweisen, um dieses Ziel zu erreichen, und zwar insbesondere batteriebetriebene Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge und E-Kraftstoffe. Parallel zur technologischen Dimension wird derzeit auf politischer Ebene über die relative Rolle eines CO2 Preises im Vergleich zu anderen sektorspezifischen Maßnahmen diskutiert. Verkehrsspezifische Bottom-up-Modelle werden verwendet, um die technologischen und verhaltensbezogenen Faktoren zu analysieren, die bei der Dekarbonisierung des Straßenverkehrs eine Rolle spielen, während komplexe Energie-Wirtschaft-Umwelt-Modelle den geeigneten Rahmen bieten, um die Auswirkungen der Dekarbonisierung des Verkehrs auf das Gesamtsystem sowie die Wirksamkeit von Top-down-Maßnahmen wie der Kohlenstoffbesteuerung zu untersuchen. Mit dem Ziel, einen Beitrag zur modellbasierten Forschung zu leisten, die sich mit der Dekarbonisierung des Verkehrs befasst, habe ich ein detailliertes Verkehrsmodell, EDGE-T, mitentwickelt und es mit einem integrierten Bewertungsmodell (Integrated Assessment Model, IAM), REMIND, verknüpft. Der Zweck von EDGE-T ist es, eine detaillierte Umgebung für die Bewertung verkehrsspezifischer Maßnahmen mit einer feinkörnigen Darstellung technologischer Optionen und Verkehrsalternativen zu schaffen. REMIND auf der anderen Seite bietet einen kohärenten Rahmen für das gesamte energiewirtschaftliche System und gewährleistet somit die Kohärenz der Verkehrsnachfrage mit den wirtschaftlichen Triebkräften, dem Energieversorgungssystem und der konkurrierenden Nachfrage anderer Energieendverbraucher. Dieses System erlaubt daher eine Rückkopplung zwischen dem Wettbewerb um knappe Ressourcen auf makroökonomischer Ebene und den verkehrsbezogenen technologischen und modalen Entscheidungen. Das Modell EDGE-T kann sowohl als eigenständiges Modell zur Erstellung detaillierter verkehrsspezifischer Analysen als auch in Kombination mit REMIND verwendet werden. In der eigenständigen Version kann EDGET leicht getestet, verbessert und aktualisiert werden, wenn sich die Technologien weiterentwickeln und neue Erkenntnisse über Dekarbonisierungsoptionen im Verkehrssektor verfügbar werden. Die Verknüpfung von EDGE-T mit dem IAM ermöglicht die Durchführung von Gesamtsystemanalysen, die sowohl den Angebots- als auch den Nachfragesektor umfassen, wobei die hohe Granularität der Verkehrsdarstellung durch die iterative Kopplung erhalten bleibt. Mithilfe dieses Modellierungsrahmens konzentriere ich mich zunächst auf die technologische Dimension und untersuche eine Reihe von Elektrifizierungspfaden für leichte Nutzfahrzeuge in Europa. Ich stelle fest, dass die direkte Elektrifizierung das Potenzial für eine erhebliche Dekarbonisierung des straßengebundenen privaten Personenverkehrs hat. Indirekte Elektrifizierung über Wasserstoff oder synthetische Kraftstoffe ist im Prinzip ebenfalls realisierbar, würde aber aufgrund der geringeren Reife der erforderlichen Technologien, ihrer höheren Kosten und der geringen Energieeffizienz der Produktionskette einen deutlich höheren Energiebedarf erfordern und wäre entsprechend insgesamt weitaus weniger effizient. Anschließend erweitere ich die Analyse auf den gesamten europäischen Straßenverkehrssektor und untersuche das separate und kombinierte Dekarbonisierungspotenzial alternativer Maßnahmenpakete, und zwar das einer allgemeinen Kohlenstoffbesteuerung sowie eines schrittweise eingeführten Zulassungsverbots von neuen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Meine Ergebnisse zeigen, dass eine solche ordnungsrechtliche Maßnahme den Übergang im Straßenverkehrssegment erheblich beschleunigen kann, während eine Kohlenstoffsteuer allein geringere Auswirkungen auf die Entscheidungen der Verbraucher und somit die Emissionen hat. Allerdings ergänzen sich Kohlenstoffsteuer und Ordungsrecht, da letzteres allein zwar den Übergang auf der Nachfrageseite beschleunigen kann, selbst aber keine Anreize für die Dekarbonisierung der Energieversorgung setzt. Insgesamt untersucht diese Arbeit eine Reihe von Dekarbonisierungspfaden für den Straßenverkehrssektor in Europa. Das Hauptinstrument, das für diese Analyse verwendet wird, ist ein flexibles und detailliertes Verkehrsmodell, das eine Vielzahl von Verkehrsträgern und Antriebsoptionen enthält, welches mit einem IAM verknüpft ist. Die einzigartigen Merkmale dieses Modells ermöglichen es, eine Vielzahl von Dekarbonisierungsoptionen für den Verkehrssektor, als da wären technologische Veränderungen, eine Umstellung der Energieversorgung und eine Reduzierung der Aktivitäten, mit einer kohärenten und detaillierten Darstellung der übrigen Wirtschaft und des Energiesektors zu kombinieren.