Beyond tailpipe emissions: defining a mix of technologies to decarbonize the heavy duty transport in Europe in the medium term

As European policies tighten around CO2 emissions reduction targets, the decarbonization of the Heavy Duty Transport sector emerges as a complex challenge. This thesis addresses the ongoing discussion with a technology-neutral approach, analyzing the solutions from a technological, environmental, and economic point of view, looking for the best possible mix in the medium term between today and 2030. Focusing on a 40-ton Articulated Lorry, the most representative vehicle in Europe, the study provides an overview of prevailing and upcoming technologies: Internal Combustion Engines with various fuels (diesel, biofuels and e-fuels), Battery Electric and Hydrogen Fuel Cell vehicles. For each combination of fuel and powertrain, are summarized the functioning principles, advantages, disadvantages, and market readiness. Afterwards, a comprehensive Life Cycle Assessment (LCA) is conducted, based on two official studies that are critically compared and adjusted to ensure consistency in assumptions and system boundaries. In addition to environmental considerations, the economic viability of each technology is addressed using the Total Cost of Ownership (TCO), integrating all the lifetime costs from the user’s perspective. To highlight the correlation between different sectors, a sensitivity analysis on the Carbon Intensity of the Electricity has been developed, focusing on Italy in the year 2030. Other sensitivity analyses include the riskiness of BEV in environmental and economical terms, depending on the cost of the electricity; while for biofuels the emissions related to different feedstocks have been assessed and compared. As the transport sector will soon be included in the European Emission Trading System, the economic impact of this policy is evaluated, understanding how Carbon Allowances cost could influence the TCO, considering both tailpipe and life cycle emissions. The main findings are that in the near future biofuels, especially HVO, are the best solution both environmentally and economically, if considering null tailpipe emissions, while from 2029 BEV will become the the preferable option thanks to purchase and electricity cost reduction and lower embedded CO2 in the vehicle production and in the electricity used to power it. E-Fuels and Fuel Cells are not expected to become convenient in the period 2023-2030 as the technologies are not mature yet and green hydrogen is not available at a reasonable price.

Con l’inasprimento delle politiche Europee sugli obiettivi di riduzione delle emissioni di CO2, la decarbonizzazione del trasporto pesante emerge come una sfida complessa. Questa tesi affronta il dibattito in corso con un approccio tecnologicamente neutrale, per capire pro e contro delle soluzioni da un punto di vista tecnologico, ambientale ed economico. Il veicolo considerato è un autoarticolato di 40 tonnellate, il più rappresentativo per l’Europa, per cui viene data una panoramica delle tecnologie prevalenti: motori a combustione interna alimentati a diesel, biocarburanti ed e-fuel, i camion elettrici e i veicoli con celle a combustibile a idrogeno. Per ogni opzione vengono riassunti i principi di funzionamento, i vantaggi e svantaggi e la traiettorie del mercato. Successivamente, è stata condotta una valutazione delle emissioni nel ciclo vita (LCA) partendo da due studi ufficiali che sono stati confrontati e armonizzati, per garantire la comparabilità dei risultati. Oltre alle considerazioni ambientali, la tesi esplora la convenienza economica di ciascuna tecnologia utilizzando la metodologia del costo totale di proprietà (TCO), che integra tutti i costi dal punto di vista dell’utente finale. Poiché il settore dei trasporti sarà presto incluso nell’Emission Trading System Europeo, è stata condotta una valutazione dell’impatto economico di questa politica, per analizzare come i costi delle Carbon Allowances influenzeranno il TCO considerando sia le emissioni allo scarico sia le emissioni totali del ciclo vita. Per evidenziare la correlazione tra i diversi settori, è stata sviluppata un’analisi di sensibilità sull’intensità carbonica dell’elettricità, concentrandosi sull’Italia nell’anno 2030. Altre analisi di sensitività riguardano il prezzo dell’elettricità e l’impatto sul TCO, oltre alle differenza di emissioni del biofuels in base alle materie prime utilizzate per la produzione. I risultati principali sono che nel medio periodo i biocarburanti, e in particolare l’HVO, rappresentano la soluzione migliore sia dal punto di vista ambientale che economico, mentre a partire dal 2029 i BEV diventeranno l’opzione preferibile grazie alla riduzione dei costi di acquisto e di elettricità e all’abbassamento di emissioni sia nella produzione del veicolo che nell’elettricità utilizzata per alimentarlo. Non si prevede che gli eFuels e le celle a combustibile diventino convenienti prima del 2030, poiché le tecnologie non sono ancora mature e l’idrogeno verde non è disponibile a un prezzo ragionevole.