Implementing Electric Aviation in Norway, the Strategic Electric Aviation Problem over Multiple Periods

Abstract

Håndteringen av global oppvarming krever radikale endringer i sektorer med høye utslipp. Denne avhandlingen fokuserer på luftfartsindustrien, spesielt i Norge, med tanke på overgangen til elektrisk luftfart (EA). Med mål om å formulere en strategisk modell for implementeringen av elfly, retter avhandlingen seg mot offentlige instanser og infrastruktureiere, med formål om å gi råd om optimale investeringer i plassering av ladestasjoner, EA-ruter og EA-modeller over flere perioder.

Avhandlingen starter med å utforske status og krav til EA samt dagens situasjon med EA i Norge, med vekt på Norges unike geografi og mål for reduserte utslipp. I litteraturgjennomgangen har strategiske problemstillinger knyttet til elektrisk luftfart vært lite utforsket, så det kombineres derfor innsikt fra både tradisjonell luftfart og elektriske fartøy. Deretter introduseres "Fixed Route Electric Aviation Problem" (FREAP), som antar at etterspørsel per direkte flyrute er konstant. For å gi mer nøyaktige løsninger, blir FREAP gjort mer presis gjennom utviklingen av en heuristisk og en nøyaktig løsningsmetode for å sikre gjennomførbare flybevegelser, som igjen veileder investeringer i ladestasjoner.

En økonomisk analyse av den heuristiske løsningsmetoden utføres, som avdekker innsikt i kostnader, teknologiske scenarier og strategiske mål. Modellen favoriserer særlig sørlige ruter med høy etterspørsel, men kan utvide seg i nordlige regioner i tidlige perioder på grunn av rekkeviddebegrensninger hos tilgjengelige modeller. Når FREAP-modellen og dataen tilpasses Norges nåværende strategiske krav, fremheves det at modellen foretrekker å investere i ladestrukturer sentrert rundt knutepunkter fremfor FOT-ruter (forpliktelser til offentlig tjenesteytelse, senere refert til som PSO).

Avhandlingen konkluderer med anbefalingen om å bygge initiell ladeinfrastruktur ved knutepunkter fremfor i PSO-nettverket. Hovedbidraget til avhandlingen er å skape en optimeringsmodell for Norges implementering av EA, der fordelene ved tidlige investeringer rundt knutepunkter belyses, samtidig som optimal plassering av ladestasjoner påvirkes av rekkeviddeforbedringer og strategiske mål. FREAP-modellen tilpasses også den norske strategien for å bidra med innsikt i Norges overgang til bærekraftig elektrisk luftfart.

Addressing global warming demands radical shifts in high-emission sectors. This thesis focuses on the aviation industry, particularly in Norway, considering the transformation to electrical aviation. With the goal of formulating a strategic model for the implementation of electric aviation (EA), this thesis is aimed at government entities and airport infrastructure providers, with the purpose of giving advice on the optimal investments in charging station locations, EA routes, and EA airplanes over several periods.

The thesis begins by exploring the status and requirements of EA and the current situation on EA in Norway, emphasizing Norway's unique geography and emission reduction targets. The literature is then reviewed, where strategic electric aviation problems have been little explored in the existing literature, so insights are combined from conventional aviation and electric vehicles. Then, the Fixed Route Electric Aviation Problem (FREAP) is introduced, which considers electric aviation where demand per direct route is assumed to be constant. To provide more accurate solutions, this culminates in the development of a heuristic and an exact solution method to ensure feasible routes, that again guide charging station investments.

An economic analysis on the heuristic solution method is performed, which reveals insights into cost dynamics, technological scenarios, and strategic goals. Notably, the model favors southern high-demand routes, but can expand in northern regions in early periods due to range limitations of available EA models. When the FREAP model and input data are modified based on current Norwegian strategic requirements, it is highlighted that the model prefers to invest in hub-centric charging infrastructure over Public Service Obligation (PSO) routes.

The thesis concludes by recommending the building of initial charging infrastructure in the hubs rather than in the PSO network. The main contribution of the thesis is to create an optimization model for Norway's EA implementation, highlighting the advantages of early investments around hubs and exploring how optimal charging station locations are affected by range improvements and strategic goals. The FREAP is also adapted to the Norwegian strategy, to help provide insights for Norway's transition toward sustainable electric aviation.