Well-to-wheels exergy cost analysis of different passenger vehicles

The limited availability of fossil fuels, the increasing worldwide demand for energy, and environmental concerns call for a more efficient use of energy-resources. To achieve this objective, it is essential to accurately evaluate technologies that can reduce the depletion of non-renewable energy-resources and mitigate the environmental impact, while at the same time being economically viable in today’s economy. This thesis proposes an exergy-based well-to-wheels analysis to compare different personal transportation options (i.e. the study of fuel cycles from the extraction of the primary energy-resources to the on-board consumption). Advantages of an exergy-based approach are discussed, and a formalization of the methodology is proposed. A set of fuel pathways, including petroleum-based fuels, compressed natural gas, biofuels, and electricity are modeled for five representative national energy mixes, namely Brazil, China, France, Italy, and the United States of America. The first stage of the analysis (well-to-tank stage) is modeled based on The Greenhouse Gases, Regulated Emissions, and Energy Use in Transportation Model (GREET), a tool developed by Argonne National Laboratory. A commercially available vehicle simulator (AVL Cruise) is used to model energy use and tailpipe emissions of several vehicles (tank-to-wheel stage). Different driving cycles are considered to capture real-world vehicle usage. The analysis allows evaluating energy consumption of different primary sources and greenhouse gases (GHG) emissions of the different alternatives considered. Moreover, an economic analysis is performed to compute the cost associated to the use of each vehicle over its lifecycle. A sensitivity analysis is proposed by simulating different future scenarios (e.g. varying projected cost of fuels) to test the model results . Finally, a multi-dimensional comparison of each combination of fuel, vehicle, and national energy mix is proposed, based on three key indicators: petroleum energy use, CO2 emissions, and economic cost. The practical value of this work lies in the implementation of a consistent and flexible methodology for policymakers to properly compare different passenger vehicles, which is open to scenario analysis (e.g. change in electricity generation mixes, technology improvement, fuels availably and cost, and others). Results show that, depending on the policy objective (e.g. minimize petroleum consumption, or GHG emissions), different solutions should be deployed, depending on the specific national energy mix.

La scarsa disponibilità dei combustibili fossili, la crescente richiesta a livello mondiale di energia e il conseguente impatto ambientale richiedono un utilizzo più oculato delle risorse energetiche. Per raggiungere questo risultato è essenziale individuare accuratamente le tecnologie che possono ridurre il consumo di risorse non rinnovabili e mitigare l’impatto ambientale, e allo stesso tempo assicurare la competitività economica. In questa tesi viene proposta un’analisi well-to-wheels per confrontare diverse tipologie di autovettura, attraverso lo studio completo della filiera di un combustibile, dall’estrazione fino al suo consumo on-board. Vengono discussi i vantaggi di un approccio basato sull’analisi exergetica, e viene proposta una formalizzazione della metodologia alla luce della termoeconomia. Un set di filiere di combustibili che include derivati dal petrolio, gas naturale compresso, biocombustibili e elettricità viene modellato in cinque diversi scenari energetici nazionali, nello specifico Brasile, Cina, Francia, Italia, e Stati Uniti d’America. La prima fase dell’analisi (well-to-tank, ovvero dal pozzo al serbatoio) viene svolta con l’ausilio del modello GREET (Greenhouse Gases, Regulated Emissions, and Energy Use in Transportation), sviluppato da Argonne National Laboratory. Ogni filiera è descritta in riferimento allo scenario attraverso la descrizione di un mix energetico e delle efficienze dei singoli processi. In questo modo vengono calcolati il consumo di exergia e le emissioni di CO2 nella filiera di produzione di combustibile, includendo contributi diretti e indiretti per ciascuna combinazione di combustibile e scenario energetico. Nella seconda fase dell’analisi (tank-to-wheels, ovvero dal serbatoio alla ruota) un simulatore commerciale di veicoli viene utilizzato per modellare diverse autovetture e calcolare i relativi consumi di carburante ed emissioni al sistema di scarico dei fumi. Vengono inclusi nello studio veicoli a combustione interna e veicoli elettrificati, per ciascuno dei quali viene implementato un modello che ne descrive le caratteristiche (e.g.peso, potenza, ausiliari) e le performances. Mappe di consumo del combustibile specifiche sono ricavate dalla letteratura o, nel caso del gas naturale compresso, sperimentalmente. Infine un set di sei cicli di guida viene scelto e utilizzato nelle prove al simulatore per ottenere una simulazione realistica dei veicoli. L’analisi well-to-wheels svolta permette di valutare il consumo di exergia in termini di risorse primarie e le emissioni di gas clima alteranti delle alternative considerate. Successivamente viene proposta un’analisi economica che valuta il costo associato all’uso di ciascun veicolo nell’arco della sua vita utile. I risultati dell’analisi well-to-wheels vengono combinati a proiezioni dei costi dei combustibili primari, e costi normalizzati dell’elettricità (levelized cost of electricity, LCOE). Inoltre i risultati del modello economico vengono ulteriormente analizzati attraverso un’analisi di sensitività in diversi scenari, che include variazioni nelle proiezioni future dei costi delle risorse primarie (high price and low price scenario) e variazioni nei kilometri percorsi annualmente in totale. Infine viene proposto un confronto su più dimensioni per ciascuna combinazione di combustibile, veicolo e scenario energetico basato su tre indicatori chiave: consumo di petrolio, emissioni di CO2 e costo economico. Questo lavoro rende disponibile ai policymakers una metodologia coerente e flessibile per confrontare in maniera accurata diverse tipologie di autovettura convenzionale e a diversi livelli di elettrificazione, e che permette di svolgere analisi di sensibilità specifiche (ad esempio: variazioni nel mix di generazione di energia elettrica, miglioramenti della tecnologia, disponibilità dei combustibili e altro). I risultati mostrano chiaramente che diverse soluzioni andrebbero adottate rispetto agli obbiettivi posti dalla policy (e.g. riduzione del consumo di petrolio, o delle emissioni di gas clima alteranti), e rispetto al mix energetico nazionale.