Development of a railway sector module for integration into energy system optimization models: decarbonization and modal shift in Italy

Transport is one of the primary sources of the Italian energy demand and greenhouse gas emissions, accounting for nearly one-third of final energy use. Road transport dominates this balance, while rail contributes less than 2 %, representing its superior efficiency but also its marginal role. In this context, the Green Deal and the National Recovery and Resilience Plan (NRRP) set important development objectives for the Italian railways, and, given the strong link between transport and energy, the planning towards these targets requires integrated strategies and integrated tools to assess them. This thesis addresses the issue with two complementary objectives. The first is the development of a detailed rail module to be integrated into a National Energy System Optimization Model (ESOM). The module disaggregates passenger and freight services, represents multiple traction technologies, and explicitly models infrastructure and capacity constraints. The model is applied to the Italian railways, with scenarios extending up to 2050, assessing requirements for both energy and infrastructure. The second objective is to evaluate the potential impact of modal shift. To achieve this, a complementary road module was also constructed to perform a comparative analysis with the output of the rail module. Results indicate that current rail investments can accommodate only moderate demand growth, while further expansion, especially in freight, is necessary to align with European Green Deal trajectories. Demand management can increase effective capacity, while diesel substitution has only marginal effects. Modal shift produces meaningful but limited reductions in emissions, confirming that rail remains structurally less impactful than road but that its expansion is essential for a credible decarbonisation pathway.

Il settore dei trasporti rappresenta una delle principali fonti della domanda energetica e delle emissioni di gas serra in Italia, con un peso pari a circa un terzo dei consumi finali di energia. All’interno di questo bilancio, il trasporto su strada risulta predominante, mentre la ferrovia contribuisce per meno del 2 %, a testimonianza della sua superiore efficienza ma anche del suo ruolo marginale. In questo contesto, il Green Deal europeo e il Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza fissano obiettivi di sviluppo rilevanti per il sistema ferroviario italiano e, dato il forte legame tra trasporti ed energia, la pianificazione verso tali traguardi richiede strategie e strumenti di valutazione integrati. Questa tesi affronta il tema con due obiettivi complementari. Il primo consiste nello sviluppo di un modulo ferroviario dettagliato da integrare in un modello nazionale di ottimizzazione del sistema energetico (ESOM). Il modulo disaggrega i servizi passeggeri e merci, rappresenta diverse tecnologie di trazione e modella in modo esplicito vincoli infrastrutturali e di capacità. Il modello è applicato al sistema ferroviario italiano, con scenari fino al 2050, valutando i requisiti sia energetici sia infrastrutturali. Il secondo obiettivo è l’analisi del potenziale impatto dello shift modale. A tal fine è stato costruito anche un modulo stradale complementare, per un confronto ex-post con i risultati del modulo ferroviario. I risultati mostrano che gli investimenti ferroviari attuali possono soddisfare solo una crescita moderata della domanda, mentre ulteriori ampliamenti, in particolare nel settore merci, sono necessari per allinearsi alle traiettorie del Green Deal europeo. La gestione della domanda può aumentare la capacità effettiva, mentre la sostituzione del diesel ha effetti solo marginali. Lo shift modale comporta riduzioni significative ma limitate delle emissioni, confermando che la ferrovia rimane strutturalmente meno impattante rispetto alla strada, ma che la sua espansione è essenziale per un percorso di decarbonizzazione credibile.