Long-term optimization of the transport sector to address greenhouse gas reduction targets under rapid growth : application of an energy system model for Gauteng province, South Africa

Abstract

The transport sector is seen as one of the key factors for driving future energy consumption and greenhouse gas (GHG) emissions. Especially in developing countries, significant growth in transport demand is expected. Gauteng province, as the economic centre of South Africa and transport hub for the whole of southern Africa, is one emerging urban region that faces rapid growth. However, the province is on its way to playing a leading role for supporting ways to adapt to climate change and mitigate GHG emissions. Conversely, there is a lack of scientific research on the promising measures for GHG mitigation in the transport sector. For the rapidly growing transport sector of the province in particular, research is focused primarily on extending and structuring the road infrastructure. Moreover, it is important that the transport sector is considered as part of the whole energy system, as significant contributions to GHG emissions and the associated costs arise from energy supply, provision and conversion. This research is the first application of an integrated energy system model (i.e. the TIMES-GEECO model) for the optimization of the transport sector of Gauteng. Optimizing energy system models allows finding least-cost measures for various scenarios, by considering dependencies and interlinkages in the energy system as well as environmental constraints. To do so, the transport sector and the energy supply sector had to be incorporated into the model application in terms of the characteristics of a developing urban region, which includes all relevant transport modes, vehicle technologies, fuel options, vehicle-to-grid energy storage, the consideration of road types as well as explicit expansions of the public transport system and income-dependent travel demand modelling. Additionally, GHG mitigation options outside the provincial boundaries were incorporated to allow for mitigation at least cost and to consider regional resource availability. Moreover, in TIMES-GEECO, the other demand sectors (such as residential or industry) are also represented. In this thesis, a comprehensive analysis was conducted of alternative fuels, vehicle technologies as well as transport infrastructure for the transport sector of Gauteng. As a result, there are many possibilities of reducing GHG emissions and/or of increasing energy efficiency in the transport sector by using alternative fuels or vehicle technologies. In scenario analysis, it was recognized that under current policies significant growth in both energy consumption and climate emissions can be expected in Gauteng. Marginal GHG abatement cost curves have been calculated, which permit the identification of least-cost mitigation measures for the transport sector under consideration of the whole energy system. It was shown that biofuels from waste cooking oil and cellulosic biomass as well as the substitution of fossil synthetic fuels with crude oil products could result in significant GHG emission reductions. Moreover, hybrid vehicles offer prospects for increasing energy efficiency and reducing GHG emissions at low marginal mitigation costs, where, it was identified that measures should first be applied for vehicles with high annual mileages such as buses, minibuses and heavy-duty vehicles (HDVs). However, the analysis also showed that the transport sector is not the first sector to address for GHG mitigation as significant mitigation potentials with low associated costs lie in the provision of electricity and in the supply of fuels.

Der Verkehrssektor wird als einer der zentralen Treiber der zukünftigen Entwicklung von Energieverbrauch und Treibhausgasemissionen (THG) angesehen. Vor allem in Entwicklungsländern ist von einem starken Anstieg der Transportnachfrage auszugehen. Die Provinz Gauteng, das ökonomische Zentrum Südafrikas, ist eine urbane Region, der eine Phase solch schnellen Wachstums prognostiziert wird. Die Provinzregierung sieht hierin die Möglichkeit, eine Vorbildfunktion einzunehmen und den Klimaschutz voranzutreiben. Andererseits liegen nur wenige Forschungsergebnisse vor, welche die Effekte und Kosten von Klimaschutzmaßnahmen im Verkehrssektor für Gauteng quantifizieren. Bisherige Forschungsaktivitäten richteten ihren Fokus vor allem auf verkehrsplanerische Maßnahmen, wie etwa die Erweiterung der Verkehrsinfrastruktur. Auch die vorgelagerten Emissionen des Verkehrssektors Gautengs fanden bisher wenig Beachtung. Die vorliegende Arbeit ist die erste Anwendung eines integrierten Energiesystemansatzes (TIMES-GEECO) zur Optimierung des Verkehrssektors von Gauteng. Mit Energiesystemmodellen ist es möglich, kostenminimale Maßnahmen zur Erreichung von szenarioabhängigen Zielen, unter Berücksichtigung von Abhängigkeiten und Verflechtungen im Energiesystem zu identifizieren und dabei Klimaschutzziele zu berücksichtigen. Um dies zu erreichen, wurde in dieser Arbeit der Verkehrssektor und die Energiebereitstellung im Modell abgebildet, unter besonderer Berücksichtigung aller relevanten Verkehrsmodi, Fahrzeugtechnologien, alternativen Kraftstoffe, „vehicle-to-grid“ Energiespeicherung, unterschiedlicher Fahrzustände als auch möglicher Erweiterungen der öffentlichen Verkehrsinfrastruktur und einkommensbasierter Verkehrsbedarfsberechnung. THG-Minderungsoptionen außerhalb der Provinzgrenzen von Gauteng auf Basis der regionalen Verfügbarkeit von Ressourcen als auch andere Nachfragesektoren (z. B. Haushalte, Industrie) sind ebenfalls in der Modellierung berücksichtigt. Es wurde eine umfassende Analyse der alternativen Kraftstoffe, Fahrzeugtechnologien und Infrastrukturerweiterungen für den Verkehrssektor Gauteng durchgeführt und viele Möglichkeiten zur Reduzierung der THG-Emissionen und / oder zur Erhöhung der Energieeffizienz im Verkehrssektor durch alternative Treibstoffe oder Antriebssysteme identifiziert. Die Szenarioanalyse hat gezeigt, dass mit der gegenwärtigen Politik ein deutliches Wachstum sowohl im Energieverbrauch als auch der THG-Emissionen in Gauteng verbunden wäre. Um die kostenoptimalen Klimaschutzmaßnahmen im Verkehrssektor unter Berücksichtigung des Energiesystems zu bestimmen, wurden THG-Minderungskurven berechnet. Biokraftstoffe aus Altspeiseöl und solche aus zweiter Generation, sowie die Substitution von synthetischen Kraftstoffen fossilen Ursprungs durch Erdölprodukte könnten demnach zur Verringerung der THG-Emissionen beitragen. Darüber hinaus bieten Hybridfahrzeuge Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz und zur Verringerung von THG-Emissionen. Hier sollten zunächst Fahrzeuge mit höheren jährlichen Laufleistungen wie Busse und schwere Nutzfahrzeuge (HDV) betrachtet werden. Allerdings zeigte die Analyse auch, dass der Verkehrssektor nicht der primäre Sektor ist der zur THG-Minderung zu adressieren ist. Die kostengünstigsten Möglichkeiten liegen in der Strombereitstellung und Kraftstoffversorgung.