Energy transition in the heavy transport sector: an optimization model for hybrid fleets

The urgency of the environmental issue and the significant impact of the heavy transport sector on global emissions demands the search for alternatives to traditional diesel trucks. Technological advancements and the reduction in battery costs have made the energy transition feasible for this sector. This thesis presents the development of a mathematical optimisation model for minimising the total cost of ownership of a mix of battery electric trucks (BET) and diesel trucks (DT) in a company fleet. The objective of this study is to provide a tool that helps evaluate the strategic decision of the energy transition while ensuring the satisfaction of daily operational constraints. The model is introduced gradually, showing the intermediate steps and evolutionary phases. The final model considers the most important elements for managing a hybrid fleet that must meet daily mileage constraints obtained by reworking data from a real company. The model optimises the fleet composition and assigns daily mileages to each vehicle, and it also manages the opportunity to recharge the vehicle during the lunch break using fast-charging infrastructure that the model chooses to install. The thesis also includes research and analysis of the parameters used, based on a cost assessment scaled according to the requirements for vehicles. Finally, the performance of the models is tested and evaluated, along with a wide variability of parameters necessary to fill the gap of historical and less accessible data in a still embryonic sector.

L'urgenza della questione ambientale e il significativo impatto del settore dei trasporti pesanti nelle emissioni globali necessita della ricerca di soluzioni alternative ai tradizionali camion diesel. L'avanzamento tecnologico e la riduzione dei costi delle batterie hanno reso fattibile la transizione energetica anche di questo settore. Questa tesi presenta lo sviluppo di un modello matematico di ottimizzazione per la minimizzazione dei costi totali di possesso di un mix di camion elettrici a batteria (BET) e diesel (DT) di una flotta aziendale. L'obiettivo di questo studio è quello di fornire uno strumento che aiuti a valutare la decisione strategica della transizione energetica garantendo la soddisfazione dei vincoli operativi. Il modello viene introdotto per gradi, mostrando i passaggi intermedi e le fasi evolutive. Il modello finale considera gli elementi più importanti per la gestione di una flotta ibrida che deve soddisfare dei vincoli di chilometraggio giornalieri ottenuti rielaborando dei dati di un azienda reale. Il modello ottimizza la composizione della flotta e assegna a ciascun veicolo dei chilometraggi da percorrere ogni giorno, gestendo anche l'opportunità di ricaricare il veicolo durante la pausa pranzo tramite infrastrutture di ricarica rapida che il modello sceglie di installare. La tesi include anche una ricerca e analisi dei parametri utilizzati basata su una valutazione dei costi dimensionati in funzione dei requisiti richiesti per i veicoli. Successivamente, vengono testate e valutate le performance dei modelli e un’ampia variabilità dei parametri necessaria per colmare la carenza di dati storici e poco accessibili di un settore ancora in fase embrionale.