A quantitative planning framework for the integration of electric city buses into urban bus networks

Wagner, Dennis; Letmathe, Peter; Walther, Grit

doi:43823

A quantitative planning framework for the integration of electric city buses into urban bus networks

Wagner, Dennis^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von: Dennis Wagner, M.Sc. (RWTH)

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak08

Hauptberichter/Gutachter
Walther, Grit (Thesis advisor)^RWTH* ; Letmathe, Peter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-11326
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/998354/files/998354.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Operations Management (813510)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 330

Kurzfassung
Die Verringerung der verkehrsbedingten Emissionen und die Verbesserung der Luftqualität in den Innenstädten ist ein wichtiges Anliegen der internationalen Gemeinschaft. Die Europäische Union setzt daher innerstädtische Emissionsgrenzwerte für Schadstoffe und Abgase durch. Außerdem hat sie verbindliche Mindestanteile von schadstoffarmen Bussen an neuen Busverkäufen festgelegt. Dabei sind batterieelektrische Busse und Brennstoffzellen-Elektrobusse die vielversprechendsten Technologien, um diese Ziele und Grenzwerte zu erreichen. Daher planen die Busbetreiber die Umstellung ihrer Flotte auf batterieelektrische Busse, Brennstoffzellen-Elektrobusse oder eine Mischung aus beidem. Die Gestaltung einer solchen Busflotte ist jedoch komplex und hängt von Infrastrukturentscheidungen ab. Daher benötigen die Busbetreiber Unterstützung bei der Entscheidungsfindung, wobei die Charakteristiken ihres täglichen Betriebs und die strategischen Entscheidungen bezüglich der Infrastruktur innerhalb ihres Netzes zu berücksichtigen sind. Vor diesem Hintergrund zielt diese kumulative Dissertation darauf ab, einen umfassenden Planungsrahmen zur Verfügung zu stellen, der bei der Entwicklung optimierungsbasierter Planungsmodelle für öffentliche Nahverkehrssysteme, einschließlich batterieelektrischer Busse und Brennstoffzellen-Elektrobusse, helfen kann, um fundiertere Entscheidungen bei der künftigen Auswahl von Technologien und der Einführung von Infrastruktur in öffentlichen Verkehrsnetzen zu treffen. Zu diesem Zweck umfasst diese kumulative Dissertation drei Arbeiten, die zu diesem Ziel beitragen. Die Dissertation ist in zwei Teile gegliedert, wobei der erste Teil eine allgemeine Einführung in die Motivation gibt und den Umfang der Arbeit verdeutlicht. Darüber hinaus beschreibt der erste Teil das Planungsproblem aus praktischer und wissenschaftlicher Sicht und führt in den aktuellen Stand der Literatur ein. Anschließend wird eine Zusammenfassung aller drei Arbeiten, einschließlich ihrer Ziele, ihres Umfangs und ihrer wichtigsten Ergebnisse, präsentiert. Der erste Teil schließt mit einer Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse, Implikationen, den Grenzen dieser Analyse und Vorschlägen für mögliche zukünftige Forschungsarbeiten. Der zweite Teil enthält die drei Forschungsartikel. Der erste Artikel ist eine Literaturrecherche zur Integration von batterieelektrischen Bussen in städtische Busnetze und enthält eine umfassende Analyse der Anforderungen aus der Praxis an die Planung von batterieelektrischen Bussen sowie eine Analyse der akademischen Literatur zur Abdeckung dieser Anforderungen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen die Forschungslücke zwischen den Anforderungen aus der Praxis und den wissenschaftlichen Planungsmodellen auf. Der zweite Artikel nutzt die Ergebnisse der Literaturrecherche, um ein optimierungsbasiertes integriertes Planungsmodell für batterieelektrische Busse zu entwickeln, das operative und strategische Planungsentscheidungen gleichzeitig berücksichtigt. Darüber hinaus wird ein metaheuristisches Lösungsverfahren vorgestellt, das die inhärente hohe Komplexität bewältigen kann und in der Lage ist, reale Instanzen zu behandeln. Das Modell wird auch verwendet, um den Einfluss der Anwendung von Vereinfachungen in Planungsmodellen auf die Machbarkeit und die Gesamtkosten in der Praxis zu analysieren. Der dritte Artikel greift das Modell und den Lösungsansatz aus dem zweiten Artikel auf und erweitert ihn um die Betrachtung gemischter Elektrobusflotten, einschließlich batterieelektrischer Busse und Brennstoffzellen-Elektrobusse und der entsprechenden Infrastruktur. Das Modell wird auf eine reale Fallstudie angewandt, um betriebswirtschaftliche Erkenntnisse über die Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellen-Elektrobussen in gemischten Elektrobusflotten zu gewinnen, und es werden Szenarioanalysen in Bezug auf homogene Flotten und unterschiedliche Kostenfaktoren durchgeführt.

Reducing traffic-related emissions and increasing air quality in city centers is a major concern for international governments. The European Union, therefore, enforces inner-city emission thresholds for pollutants and exhaust gases. It has also set mandatory minimum shares of low-emission buses in new bus sales. To this end, battery-electric buses and fuel-cell electric buses are the most promising technologies for achieving these goals and thresholds. Therefore, bus operators are planning to transition their fleet towards battery electric, fuel-cell electric buses, or a mixture of both. The design of such a bus fleet, however, is complex and interdependent with infrastructure decisions. Therefore, bus operators need support in decision-making, taking the characteristics of their daily operation and the strategic decisions regarding infrastructure within their network into account. Against this background, this cumulative dissertation aims to provide a comprehensive planning framework that can help in designing optimisation-based planning models for public transport systems, including battery electric buses and fuel-cell electric buses, and to make more informed decisions in future technology selection and infrastructure deployment across public transport networks. To this end, this cumulative dissertation comprises three papers that contribute to this aim. The dissertation is divided into two parts, whereas the first gives an overall introduction to the motivation and clarifies the scope of the thesis. Additionally, the first part describes the planning problem from a practical and a scientific perspective, and introduces the latest state-of-the-art literature. Subsequently, a summary of all three papers, including their aim, scope, and main results is presented. The first part is concluded with a synthesis of key findings, managerial implications, the limitations of this thesis, and suggestions for potential future research. The second part contains the three research papers. The first research paper is a concise guide on the integration of battery electric buses into urban bus networks and includes an extensive analysis of practitioners' requirements on battery electric bus planning and analyses academic literature for their requirements' coverage. The results of this study highlight the gap between requirements relevant for practice and academic planning models. The second paper uses the results from the first paper to develop an optimisation-based integrated planning model for battery electric buses that considers operational and strategic planning decisions simultaneously. Additionally, this paper introduces a meta-heuristic solution method that can cope with the inherent high complexity and is capable of handling real-world instances. The model is also used to analyse the influence of the application of simplifying assumptions in planning models on real-world feasibility and total costs. The third paper takes the model and solution approach from the second paper and extends it by the consideration of mixed electric bus fleets including battery electric buses and fuel-cell electric buses and the respective infrastructure. The model is applied to a real-world case study to gain managerial insights on the economic viability of fuel-cell electric buses in mixed electric bus fleets and conducts scenario analyses regarding homogeneous fleets and different cost factors.

OpenAccess:
PDF
(additional files)