Optimization of sustainable urban transport vehicle fleets electrification

Abstract

Dizel otobüslerden kaynaklanan hava kirliliğini azaltmak, iklim değişikliği ve dışa bağımlı pahalı petrol kaynaklarına bağımlılık konularındaki endişeler, politikacı ve araştırmacıları, ulaşımda geleneksel dizel yakıtlı içten yanmalı motorlu araçlara (ICEV'ler) alternatif çözümler araştırmaya yönlendirmiştir. Bu bağlamda, çevre dostu, sürdürülebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesi ve kullanılması üzerine odaklanan çeşitli çözümler ortaya çıkmış ve şehirlerin toplu taşıma sistemlerinde önemli bir dönüşüm gereksinimi doğurmuştur. Toplu taşıma araçlarında geleneksel yakıtlı dizel otobüslerden elektrikli otobüslere, belirli bütçe kısıtlaması altında kademeli olarak geçiş, çevresel sürdürülebilirlik adına büyük bir fırsat sunarken, yüksek satın alma maliyetleri, menzil sınırlamaları, şarj süresi, şarj altyapısının yetersizliği gibi ciddi zorluklarla karşı karşıyadır. Bu zorlukların aşılması, hem ekonomik hem de çevresel hedeflerin bir arada değerlendirildiği çok boyutlu stratejik planlama gerektirmektedir; teknolojik gelişmeler, teşvik politikalarının entegrasyonu ve doğru planlama ile mümkündür. Çalışmamız, belirtilen kısıtlamaları ele alarak konvansiyonel yakıtlı otobüs filolarının elektrifikasyonu sürecinde, depoda şarj edilen bataryalı otobüs filolarının ve bunlara karşılık gelen şarj altyapısının vb. maliyetlerin optimize edilmiş planlaması için bir metodoloji sunmaktadır. Bu çalışmada, %100 konvansiyonel yakıtlı dizel araçlardan oluşan otobüs filolarının elektrifikasyonu sürecinde optimal dönüşüm stratejilerini belirlemek amacıyla çok amaçlı bir matematiksel model geliştirilmiştir. 2015 yılında imzalanan Paris Anlaşması'nın emisyon azaltımı hedeflerine uygun şekilde, 2030 yılına kadar referans yılın %21 emisyon azaltımı hedefi ile ilk dönemden (2015 yılı) sene bazında filodaki araçların elektrikli araca dönüştürülmesi aşamaları ele alınmıştır. Model, ekonomik sürdürülebilirliği sağlamak için toplam sahip olma maliyetlerini (satın alma, işletme, bakım ve şarj altyapısı yatırımları gibi) minimize etmeyi, çevresel sürdürülebilirliği desteklemek için ise CO2 emisyonlarını en aza indirmeyi hedeflemektedir. Modelin uygulaması, İstanbul Metrobüs filosu özelinde gerçekleştirilmiş ve çeşitli senaryolar altında filo dönüşüm planları analiz edilmiştir. İki temel amaca sahip modelimizde çevresel amaç, buradaki emisyon kısıtını sağlamaktır. Diğer yandan elektrikli ve dizel toplu taşıma araçlarının doğrudan ve ek maliyetlerle toplam sahip olma maliyetini minimize etmek ise ekonomik amaçtır. Toplam sahip olma maliyetinin (satın alma ve işletme maliyetleri dahil) enküçüklenmesi amaç fonksiyonunun bileşenidir. Elektrifikasyon hedeflerini karşılayacak otobüs değiştirme planlarını satın alma maliyetleri, hurda gelirleri, bakım, yakıt emisyon maliyetlerini içeren işletme maliyetleri ve şarj altyapısı yatırımlarını dikkate alarak uygun maliyetli bir şekilde belirlemelerine olanak tanıyan bir filo değiştirme problemi sunulmaktadır. Tanımladığımız problem filo kompozisyonu ve ortak süreçte şarj altyapısının optimizasyonunu kapsamaktadır. Ortaya çıkan toplam sahip olma maliyeti, teknik alternatiflerin sistem düzeyinde karşılaştırılmasını mümkün kılar, dolayısıyla çok çeşitli teknik kavramlar içeren fizibilite çalışmaları için elverişlidir. Matematiksel model, çeşitli teşvikler ve senaryolar altında emisyonları azaltmak için çok amaçlı olarak sunulmuştur. Ekonomik ve çevresel iki amaç içeren modelimizde dört senaryo ele alınmıştır. Belirli bir planlama ufkunun sonunda elektrifikasyon hedefine ulaşmak için kısıtlar altında optimum filo dönüşüm planını arayan literatürde yer alan ismiyle Elektrikli Otobüs Filo Dönüşüm (EBFT) problemi incelenmektedir. Bu problemi çözmek için doğrudan (satın alma, işletme maliyetleri) ve dolaylı (sera gazı emisyonları maliyeti) maliyetler ile hurdaya ayırma gelirleri dikkate alınarak oluşturulan doğrusal model, CPLEX 22.1.0 kullanılarak çözülmüştür. Formülasyon, otobüs satın alma, hurdaya ayırma, şarj istasyonu kurma ve batarya satın alma kararlarını aynı anda ele almaktadır. İstanbul Metrobüs filosu üzerine yapılan bir vaka çalışması, modelin uygulamasını örneklemektedir. Vaka çalışmamızdaki veriler metrobüs filosu ve İstanbul belediyesinin paylaştığı kaynaklara dayanmaktadır. Modelimiz, farklı veriler kullanılarak diğer ülke veya bölgelere uygulanabilir, ancak sonuçlar değişebilir. Elektrikli otobüs filo dönüşümü, sahip olma maliyetini ve emisyonları en aza indirirken filo boyutu ve şarj istasyonu yatırım kararlarını optimize eder. Elektrikli otobüslerin filo içindeki kullanımını optimize etmek için çok amaçlı olarak sunulan programlama modeli, toplam sahip olma maliyetlerini ve CO2 emisyonlarını en aza indirerek, filo yenileme planlarını değerlendirir. Belirlenen hedeflere ulaşmak için, otobüs satın alma maliyetleri, bakım giderleri, işletme maliyetleri ve şarj altyapısı yatırımları gibi çeşitli maliyet bileşenlerini dikkate alır. Model doğrulsal olarak formüle edilip IBM CPLEX 22.1.0 optimizasyon çözümleyicisi ile ile çözülmüştür. Optimizasyon süreci, 5 dakika 16 saniye olan çözüm süresiyle modelin pratik uygulanabilirliği kanıtlanmıştır. Maliyet etkin bir şekilde ve en az emisyon optimizasyonu ile hedefleri dengeleyen bu çok amaçlı yapıyı ele almak için Augmented ε-Constraint Algorithm (AUGMECON2) yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem, çok amaçlı optimizasyon problemlerinde çözüm uzayını daha verimli bir şekilde keşfetmek için geliştirilmiş bir tekniktir ve ekonomik hedefler ile çevresel hedefler arasındaki dengeyi sağlama konusunda önemli bir rol oynamaktadır. Sayısal deneyler, Intel Core i7 -1165G7, 2.80 GHz CPU ve 16GB RAM ile donatılmış bir bilgisayarda gerçekleştirilmiştir. Modelin çıktısı, bir yılda satın alınan otobüs sayısı, bir yılda hurdaya ayrılan otobüs sayısı, yatırım yapılan şarj altyapısı, mevcut otobüs ve şarj altyapısı sayısı ve bir yıldaki maliyet kırılımından oluşmaktadır. Ana odak noktamız, belirlenen kısıtlar altında, çeşitli maliyet kalemlerini ve emisyon faktörünü göz önünde bulundurarak belirli bir planlama ufku üzerinden filo dönüşüm planı belirlemek için bir model geliştirmek, toplam maliyetleri en aza indirmek ve verilen emisyon hedefini planlama ufkunun sonuna kadar karşılamaktır. Çalışmamız, sunulan doğrusal çok amaçlı modelin çözümlerini örneklendirmek için İstanbul'a odaklanarak en yoğun biçimde kullanılan toplu taşıma alternatiflerinden Metrobus filosunun elektrifikasyonu için optimal stratejilerin kapsamlı bir vaka analizi ile desteklenmiştir. Modelin uygulanması için dört farklı senaryo değerlendirilmiş ve karbon vergisi, şarj altyapısı teşvikleri, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ve retrofit otobüs dönüşümü gibi çeşitli faktörlerin etkileri analiz edilmiştir. Sonuçlar, karbon vergisinin filo dönüşümüne etkisini vurgularken, bu vergilerden elde edilen gelirlerin, geçiş sürecine teşvik olarak kullanılması gerektiğini göstermektedir. Yüksek maliyetler nedeniyle, yeni elektrikli otobüs alımı yerine retrofit dönüşümler daha ekonomik bir seçenek olarak öne çıkmakta ve döngüsel ekonomiyi desteklemektedir. Elektrik üretiminde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması, emisyon azaltımı hedeflerine ulaşmada kritik bir unsur olarak belirlenmiştir. Ayrıca, hızlı ve yavaş şarj altyapılarının bir arada kullanımı, operasyonel verimliliği ve maliyet etkinliğini maksimize eden önemli bir strateji olarak ortaya çıkmıştır. Otobüslerin şarj zamanlamalarının optimize edilmesi ve şarj yükünün gün içine dengeli bir şekilde dağıtılması, toplam altyapı maliyetlerini azaltmada etkili bir yöntem olarak öne çıkmaktadır. Spesifik vaka çalışmasının ötesinde, bu bulgular küresel elektrikli otobüs geçişine uygulanabilir. Dünya çapındaki politika yapıcılar, bu yöntemleri kopyalayarak ve geliştirerek, temiz ve daha sürdürülebilir bir ulaşım ortamına katkıda bulunabilir. Elektrikli otobüslerin benimsenmesini optimize etmek için sürekli araştırma ve geliştirme kritik öneme sahiptir. Şarj altyapısı, batarya performansı ve enerji üretimindeki teknolojik ilerlemeler, verimlilik için hayati önem taşır. Gerçek dünya verilerini ve dinamik simülasyonları entegre etmek, çeşitli kentsel ortamlara sorunsuz entegrasyonu sağlamak için uyarlanabilir filo dönüşüm planları geliştirecektir. Bu bağlamda yapılan çalışmanın sonuçları, yeni otobüslerin yüksek maliyetlerine karşın retrofit otobüslerin daha ekonomik olduğunu, şarj zamanlamasının yatırım kararlarını etkilediğini ve hükümet teşviklerinin gerekli olduğunu göstermektedir. Yenilenebilir enerji kullanımı emisyon azaltımında kritik öneme sahiptir. Sonuç olarak, bu çalışma, otobüs filosunun elektrifikasyonunun karmaşıklıklarını aşmak için bir yol haritası sunmaktadır. Temiz enerji kaynaklarını, stratejik teşvikleri ve kapsamlı şarj altyapısını önceliklendirerek, sürdürülebilir bir kentsel ulaşım geleceğine geçişi hızlandırabiliriz. Politika yapıcılar, ulaşım otoriteleri, araştırmacılar ve toplum arasındaki iş birliği, elektrikli otobüslerin şehirleri sorunsuzca güçlendirdiği, temiz hava ve gelecek nesiller için daha sağlıklı bir gezegen bıraktığı bir dünya sağlamak için esastır. Çalışmanın literatüre katkıları; toplam maliyeti ve emisyonları en aza indirmeyi amaçlayan iki hedefi ve ekonomik ve çevresel endişeleri ele almayı içermesi, politika yapıcılara potansiyel yollar sunan ve optimal dönüşüm stratejileri hakkında değerli bilgiler sağlayan dört senaryo kapsamasıdır. Ana bulgular, karbon vergisinin, elektrik üretiminin ve şarj seçeneklerinin filonun elektrikli otobüslerle geçişi üzerindeki büyük etkisini vurgulamaktadır. Karbon vergisi, daha temiz teknolojilerin benimsenmesini zorunlu kılarken, finansal etkileri dengelemeli ve karbon vergisiyle elde edilen finansman, bu yeşil geçişte teşvik olarak kullanılmalıdır. Alternatif senaryo olarak temiz enerji kaynakları, sürdürülebilir bir gelecek için emisyonları azaltmada önemli bir rol oynar. Hem hızlı hem de yavaş şarjın entegrasyonu, operasyonel verimliliği ve maliyet etkinliğini maksimize eder. Teşvikler ve alternatif elektrik üretimi, ekonomik geçerliliği çevresel sorumlulukla hizalayan umut verici bir yol sunar. Ayrıca, otobüslerin dönüştürülmesi, elektrikli araç satın alımına göre filo dönüşümü için daha ekonomik bir seçenek olabilir. Gelecekteki araştırmalar, elektrikli otobüslerin benimsenmesini daha da arttırmak etmek için birkaç kilit alana odaklanmalıdır. İlk olarak, teknolojik ilerlemelerin şarj altyapısı ve batarya performansı üzerindeki etkisini ölçmek, bu iyileştirmelerin verimlilik ve maliyet etkinliğini nasıl etkilediğini ölçmek açısından önemli olacaktır. İkincisi, elektrikli otobüslerin başarılı entegrasyonunu sağlamak için belirli şehirler ve bunların benzersiz ulaşım ağları için gerçek dünya uygulama planlarını uyarlamak esastır. Planlama sürecine dinamik trafik simülasyonlarının entegrasyonu, şarj altyapısının yerleştirilmesi ve otobüs zamanlamasının maksimum verimlilik için optimize edilmesine de yardımcı olabilir. Ayrıca, enerji fiyatlarındaki dalgalanmalar ve teknolojik ilerlemeler gibi piyasa koşullarına uyum sağlayabilecek dinamik modeller geliştirmek, elektrikli otobüs sistemlerinin uzun vadeli sürdürülebilirliğini sağlayacaktır. Bu araştırma alanlarına değinerek, şehirlerimize sorunsuz bir şekilde entegre olan elektrikli otobüslerin olduğu, temiz ve daha sürdürülebilir bir kentsel ulaşım geleceği için yol açabiliriz.