Stochastic Network Design Modelling for Decarbonization of the Norwegian Freight Transportation System

Abstract

I denne masteroppgaven presenterer vi en model for dekarbonisering av det norske godstransportnettverket over tid. Problemet innebærer å allokere flyt av varer mellom norske fylker og utenlandske soner til ulike transportformer og drivstoff. Dette er gjort på en måte som garanterer en løsning som etterkommer utslippsreduksjonskravene som den norske regjeringen har forpliktet seg til gjennom Parisavtalen. Dekarbonisering oppnås gjennom innfasing av nye, bærekraftige drivstoff, som er begrenset med tanke på teknisk modenhet, skalerbarhet, nødvendig infrastruktur og mulig innfasingsrate inn i den eksisterende flåten. Investeringer i infrastruktur muliggjør en økning i bruken av visse transportformer og drivstoff.

Problemet er modellert som en stokastisk og strategisk nettverksdesignmodell for godstransport med flere transportformer. Modellen innehar elementer fra modellering av energisystemer, slik som eksplisitte utslippsrestriksjoner og begrensninger relatert til hvor modne nye drivstoffteknologier er. Modenhetsnivået for ulike drivstoff er ukjent og derfor modellert på en stokastisk måte slik at modellen tar hensyn denne usikkerheten når her-og- nå-beslutningene skal tas. Så vidt vi vet, er det å inkludere utslippsrestriksjoner, samt muligheten for å benytte flere kombinasjoner av transportformer og drivstoff, noe som ikke er blitt gjort før innen transportmodellering. Transportmodeller med stokastiske modenhetsnivåer for ulike drivstoff er heller ikke funnet i den tilgjengelige litteraturen.

Vi tester modellformuleringen vår på en casestudie som inkluderer all etterspørsel av godstransport i Norge, både innenlands og internasjonal transport til og fra landet. Realistiske data for etterspørsel, kostnader, kapasiteter og utslippsfaktorer er samlet inn fra flere kilder og systematisert for casestudiet. Resultatene våre viser at en total dekarboniserting av det norske transportsystemet innen 2050 er nærmest umulig å oppnå. Dette skyldes i hovedsak at nye, bærekraftige drivstoff ikke blir modne nok til å møte all etterspørsel. Resultanene våre peker på sjøtransport som den mest ideelle transportformen, både for innenriks og internasjonal transport, og på ammoniakk som den mest kostnadseffektive av de miljøvennlige drivstoffene innen sjøtransport. Vi observerer at store investeringer i jernbaneinfrastruktur gjennomføres i den stokastiske modellen, men ikke i den deterministiske versjonen av modellen. Dette tyder på at den stokastiske modellen fanger opp elementer ved problemet som det deterministiske modellen ikke gjør, og at jernbaneinvesteringer gir en mer fleksibel løsning, uavhengig av realiseringen av de usikre modenhetsnivåene.

In this thesis we present the problem of modelling decarbonization of the Norwegian freight transportation system over time. The problem entails assigning the flow of goods between Norwegian counties and international zones to modes and fuels. This is done in a way that ensures a solution with minimal system costs that complies with the emissions constraints the Norwegian government has committed to through the Paris Agreement. Decarbonization is achieved through increased usage of sustainable fuels, which are constrained in terms of their technical maturity, scalability, needed infrastructure and how quickly they can be phased into the existing fleet of vehicles. Investments in infrastructure allow for a greater usage of certain modes and fuels.

The problem is modelled as a stochastic strategic multi-modal freight transportation network design model, with added elements from energy system modelling such as explicit emission constrains and maturity limits on new technologies. The maturity limits are uncertain and are thus modelled in a stochastic manner, which allows the model to take this uncertainty into account when making the first-stage decisions. Including emission constraints and the possibility of using multiple mode-fuel combinations has not yet been done in freight transport modelling to the best of our knowledge. Freight transport models with stochastic fuel maturities are also not found in the available literature.

We test our model formulation on a case study where all demand for freight transport in Norway is included, both domestic transport and all international transport to and from the country. Realistic data for demand, costs, capacities and emission factors were gathered from multiple sources and systematized for our case study. Our results show that a complete decarbonization of the Norwegian transportation system by 2050 is near impossible to achieve. This is mainly due to the maturity of new sustainable duels being too low to cover all demand. Our results indicate that sea is the preferred mode of transportation, both internationally and domestically, and that ammonia is the most costeffective new fuel for sea transport. We also observe that considerable investments in rail infrastructure are made in the stochastic model, though not in a deterministic version of the model. This suggests that the stochastic approach captures elements of the problem that the deterministic model fails to do, and that rail investments ensures added flexibility no matter the realization of fuel maturities.