伊斯坦堡案例研究：利用多階段隨機規劃實現清潔巴士車隊轉型的動態戰略計劃

核心概念

本文提出一個多階段隨機規劃模型，用於優化清潔巴士車隊轉型戰略計劃，並以伊斯坦堡為例進行案例研究，證明考慮電池電動巴士和氫燃料電池巴士成本和效率的未來不確定性，可以制定更具成本效益的車隊轉型策略。

摘要

文獻回顧

單階段轉型方法

• 主要關注電動巴士及其所需基礎設施。
• 研究重點包括：
  • 不同充電技術的評估（例如，充電站、車道充電和電池交換技術）。
  • 充電站的最佳佈署，包括快速充電站和隔夜車廠充電站。
  • 電池容量的決策。
  • 需求不確定性和能耗不確定性對決策的影響。
  • 整合戰略決策（例如，基礎設施規劃、電池尺寸和車隊規模）與營運層面問題（例如，電動巴士調度和充電調度）。

多階段轉型方法

• 採用類似於並行設備更新問題的優化模型。
• 研究重點包括：
  • 在每個時期做出購買和報廢決策，以最大程度地降低總成本，同時確保在整個規劃範圍內滿足需求。
  • 納入排放相關成本或限制。
  • 將巴士分配到任務的決策。
  • 將電動巴士作為清潔技術選項，並考慮其充電成本。
  • 整合戰略決策與各種營運層面決策，例如充電站部署、電池尺寸、電動巴士路線分配和電池充電狀態跟踪。
  • 考慮季節性電動巴士能耗變化。
  • 採用綜合需求方法，並考慮外部成本，例如氣候和健康影響、電池更換成本，以及評估不同類型的電動和混合動力巴士。
  • 在建設 - 運營 - 轉讓環境中確定充電站位置、規劃巴士路線電動化以及將巴士分配到充電站。
  • 在確定性環境中考慮未來的技術進步，例如降低電池和充電器成本以及提高充電效率。

本文方法與貢獻

• 提出一個多階段隨機規劃模型，將未來清潔技術的成本和效率表示為情境樹中的節點。
• 預測電池電動巴士和氫燃料電池巴士在成本降低和效率提高方面的技術進步，並將其分組為多個情境。
• 以伊斯坦堡的大型巴士車隊為例，對模型進行了測試，規劃期為 25 年，分為五個階段，其中包括：
  • 計算每條路線上不同版本電池電動巴士的能耗。
  • 考慮季節性變化對能耗的影響。
  • 通過確定柴油 - 電動替換率和快速充電電動巴士的充電時間表來確保運營可行性。

案例研究

• 以伊斯坦堡的公共巴士網絡為例，該網絡旨在到 2050 年過渡到清潔巴士車隊。
• 使用真實數據集，解決了一個涵蓋 25 年規劃期限的五階段隨機程序，該程序涉及 256 個情境，以獲得決策者可以使用的動態戰略計劃。
• 結果表明，即使在電池電動巴士發展緩慢但氫燃料電池巴士發展迅速的情況下，電池電動巴士也比氫燃料電池巴士更具優勢。
• 進行了多項敏感性分析，以了解中期排放目標、預算限制和能源價格的影響。

統計資料

全球交通運輸相關的二氧化碳排放量佔全球排放量的 21% 以上，其中大部分來自公路運輸中使用的內燃機車輛。
到 2023 年，已有 33 個國家加入了《全球零排放中型和重型車輛諒解備忘錄》，承諾到 2030 年實現 30% 的零排放卡車和巴士銷售，到 2040 年實現 100%。
伊斯坦堡電力、電車和隧道管理局 (IETT) 每天運送近 500 萬人次，行駛里程約 120 萬公里。
伊斯坦堡的公共巴士運輸由伊斯坦堡電力、電車和隧道管理局 (IETT) 負責，該機構每天運送近 500 萬人次，行駛里程約 120 萬公里。
截至 2023 年，IETT 擁有 6,652 輛巴士。

引述

“Transport-related CO2 emissions account for over 21% of global emissions, with the majority coming from internal combustion engine vehicles used in road transport.”
“Although the adoption of clean energy alternatives such as electric and fuel cell vehicles has increased in recent years, a lot more effort is still needed to keep the long-term net-zero emission goals within reach.”

從以下內容提煉的關鍵洞見

A Dynamic Strategic Plan for the Transition to a Clean Bus Fleet using Multi-Stage Stochastic Programming with a Case Study in Istanbul

by Neman Karimi... 於 arxiv.org 11-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.23387.pdf

深入探究

除了成本和效率之外，還有哪些其他因素會影響城市選擇電池電動巴士或氫燃料電池巴士的決策？

除了成本和效率，還有許多因素會影響城市在電池電動巴士（BEB）和氫燃料電池巴士（FCEB）之間的選擇。以下列出幾個關鍵因素：

基礎設施：

充電基礎設施： BEB 需要廣泛的充電基礎設施，包括在車廠設置夜間充電設施，以及在路線沿線設置快速充電站。建立和維護這些基礎設施需要大量的資金和時間。
加氫站： FCEB 需要加氫站網絡，而加氫站的建設成本比充電站高，且目前較不普及。

營運考量：

續航里程： FCEB 通常比 BEB 擁有更長的續航里程，這使得它們更適合長途路線或充電基礎設施有限的地區。
加燃料時間： FCEB 的加氫時間比 BEB 充電時間短，這與傳統柴油巴士的加油時間類似，可以減少營運中造成的延誤。
載客量： 由於電池的重量，一些 BEB 的載客量可能較低，而 FCEB 的載客量與柴油巴士相當。

環境因素：

電力來源： BEB 的環境效益取決於當地電網的電力來源。如果電力主要來自燃煤電廠，那麼 BEB 的排放量可能仍然很高。
氫氣生產： FCEB 的環境效益取決於氫氣的生產方式。綠色氫氣（使用可再生能源生產）可以顯著減少排放，而灰色氫氣（使用化石燃料生產）的環境效益則較低。

政府政策和激勵措施： 政府的政策和激勵措施，例如購車補貼、稅收優惠和基礎設施投資，可以顯著影響 BEB 和 FCEB 的採用率。
公眾接受度： 公眾對新技術的接受程度，例如對 BEB 續航里程的擔憂或對 FCEB 安全性的疑慮，也會影響決策。
城市規劃者需要綜合考慮所有這些因素，才能做出最符合當地情況的決策。

如果氫燃料電池技術的進步速度快於預期，那麼伊斯坦堡的最佳車隊轉型策略將如何改變？

如果氫燃料電池技術的進步速度快於預期，例如成本大幅下降、效率顯著提高，那麼伊斯坦堡的最佳車隊轉型策略可能會發生以下變化：

FCEB 的採用比例增加： FCEB 的成本降低和效率提高將使其更具競爭力，伊斯坦堡可能會選擇在其車隊中採用更高比例的 FCEB。
基礎設施投資的轉變： 伊斯坦堡可能需要調整其基礎設施投資策略，將更多資源投入建設加氫站網絡，而不是 BEB 充電設施。
路線規劃的靈活性提高： FCEB 更長的續航里程將為路線規劃提供更大的靈活性，可以服務充電基礎設施有限的地區。
更快的車隊轉型速度： 如果 FCEB 成為更具吸引力的選擇，伊斯坦堡可能會加速其車隊轉型速度，以更快實現其減排目標。
然而，即使 FCEB 技術快速發展，伊斯坦堡仍需仔細評估 BEB 和 FCEB 的優缺點，並根據其特定需求和條件制定最佳策略。例如，伊斯坦堡可能仍然需要保留一定數量的 BEB，以服務短途路線或充電基礎設施完善的地區。

城市規劃者如何激勵私人巴士公司採用清潔能源巴士並為實現城市層面的排放目標做出貢獻？

城市規劃者可以採取多種措施激勵私人巴士公司採用清潔能源巴士，並為實現城市層面的排放目標做出貢獻：

經濟激勵措施：

購車補貼： 為購買清潔能源巴士的私人公司提供直接的資金補貼，以抵消其較高的初始成本。
稅收優惠： 對清潔能源巴士實施稅收減免或優惠政策，例如降低車輛購置稅、燃料稅或道路使用費。
營運補貼： 根據行駛里程或減排量，為使用清潔能源巴士的私人公司提供營運補貼。

基礎設施支持：

投資建設公共充電和加氫站： 由政府投資建設公共充電和加氫站網絡，為私人巴士公司提供方便的基礎設施。
提供場地和許可支持： 為私人巴士公司在其車廠或路線沿線建設充電和加氫設施提供場地和許可支持。

政策法規：

設定排放標準： 為城市內的巴士設定嚴格的排放標準，並逐步淘汰高排放的柴油巴士。
實施低排放區： 在城市中心或污染嚴重地區劃定低排放區，限制高排放車輛進入，並鼓勵使用清潔能源巴士。
強制性配額制度： 要求私人巴士公司在其車隊中維持一定比例的清潔能源巴士。

合作夥伴關係和能力建設：

建立公私合作夥伴關係： 與私人巴士公司、清潔能源技術供應商和金融機構建立合作夥伴關係，共同推動清潔能源巴士的採用。
提供技術培訓和支持： 為私人巴士公司提供有關清潔能源巴士技術、營運和維護方面的培訓和支持。

宣傳教育：

提高公眾意識： 開展宣傳教育活動，提高公眾對清潔能源巴士的認識和接受度。
樹立行業標杆： 表彰和獎勵在採用清潔能源巴士方面表現突出的私人公司，樹立行業標杆。
通過綜合運用這些措施，城市規劃者可以有效激勵私人巴士公司參與到清潔能源轉型中來，共同為實現城市層面的排放目標做出貢獻。