New methods for benchmarking energy consumption and CO2 emissions for road vehicles

Abstract

The European Union (EU) has set carbon dioxide (CO2) emission performance standards for new light-duty vehicles, a category that includes passenger cars and vans, for more than ten years. To achieve the scope of the CO2 standards, the regulation mandates the benchmarking of energy and fuel consumption, and CO2 emissions of the individual vehicle models entering the European market, and the fleet-level benchmarking versus targets set by the standards. The effectiveness of CO2 policies in reducing carbon dependency of road transport is based on (1) vehicle technology improvements, (2) the actual vehicle usage on the fleet level, and (3) the capacity of policy measures to progressively transform the powertrain composition of the fleet. The present thesis develops and demonstrates methods for benchmarking the effectiveness of the CO2 policy over these three components. Since the EU CO2 regulation has acknowledged the importance of understanding the causes of the real-world gap and variability from the certification protocols, the real-world factor plays an important role in the present thesis. The thesis initially investigates the benchmarking at the individual vehicle level and proposes methods for assessing vehicle efficiency under on-road conditions. Vehicle resistances admittedly play an important role in the vehicle energy consumption. The regulatory methods, although they show good accuracy, are costly, and the resulting resistances, since derived in proving grounds, might not reflect real-world on-road conditions. A novel methodology was implemented to measure the resistances during on-road testing using wheel torque meters to deal with this issue. Energy and fuel consumption was simulated with both the measured and official resistance coefficients as secondary validation, and as a full framework for vehicle technology benchmarking. Then, the focus is given to vehicle usage benchmarking, where a simulation framework is proposed to assess the average fleet efficiency under different use and environmental conditions. A detailed vehicle simulation tool, suitable for performing detailed fleet simulations, was combined with real-world data and knowledge to build a real-world simulation framework. The goal was to analyse the average CO2 emissions and electric energy consumption in the EU, and how factors influence the difference from the vehicles' certified consumption values. Finally, the thesis benchmarks how policy affects fleet composition evolution. Using knowledge of vehicle fleet modelling obtained earlier, an attempt to analyse CO2 policies' influence on passenger cars was performed. To obtain a robust counterfactual result, two regions are compared as a case study: the EU, where CO2 emissions have been regulated for over fifteen years, and Australia, which recently introduced such a policy element. After benchmarking a modern fleet composition of newly registered vehicles for the two regions, the share of zero-emission vehicles required to meet the targets set in both regions is calculated. Overall, the thesis outcomes provide scientific support, evidence, and insights for understanding the influence of current implementing regulation elements and regulations that will appear in the following years.

Η Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) έχει καθιερώσει πρότυπα επιδόσεων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO2) για νέα ελαφρά οχήματα για περισσότερα από δέκα χρόνια. Για την επίτευξη των στόχων CO2, ο κανονισμός επιβάλλει τη συγκριτική αξιολόγηση της κατανάλωσης ενέργειας και καυσίμου, καθώς και των εκπομπών CO2 των οχημάτων που εισέρχονται στην ευρωπαϊκή αγορά, καθώς και τη σύγκριση σε επίπεδο στόλου έναντι των στόχων που καθορίζονται από τα πρότυπα. Η αποτελεσματικότητα των πολιτικών για το CO2 βασίζεται: (1) στη βελτίωση της τεχνολογίας των οχημάτων, (2) στην πραγματική χρήση των οχημάτων σε επίπεδο στόλου και (3) στην ικανότητα των μέτρων να μετασχηματίζουν σταδιακά τη σύνθεση του στόλου. Η παρούσα διατριβή αναπτύσσει και επιδεικνύει μεθόδους για τη συγκριτική αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της πολιτικής για το CO2 σε αυτές τις τρεις συνιστώσες. Δεδομένου ότι o κανονισμός της ΕΕ αναγνωρίζει τη σημασία της κατανόησης των αιτιών της απόκλισης και της μεταβλητότητας του πραγματικού κόσμου από τα πρωτόκολλα πιστοποίησης, ο παράγοντας των πραγματικών συνθηκών διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην παρούσα διατριβή. Η διατριβή αρχικά διερευνά τη σύγκριση σε επίπεδο μεμονωμένου οχήματος και προτείνει μεθόδους για την αξιολόγηση της απόδοσης του υπό πραγματικές συνθήκες οδήγησης. Οι αντιστάσεις του οχήματος αποτελούν σημαντικό μέρος της κατανάλωσης ενέργειας. Οι μέθοδοι που περιγράφονται στους κανονισμούς, αν και δείχνουν καλή ακρίβεια, είναι δαπανηρές και οι προκύπτουσες αντιστάσεις, προερχόμενες από περιοχές δοκιμών, ενδέχεται να μην αντικατοπτρίζουν τις συνθήκες οδήγησης στο δρόμο. Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, εφαρμόστηκε μια νέα μεθοδολογία για τη μέτρηση των αντιστάσεων κατά τη διάρκεια δοκιμών στο δρόμο με τη χρήση μετρητών ροπής τροχών. Η κατανάλωση ενέργειας και καυσίμου προσομοιώθηκε με τους μετρημένους και τους επίσημους συντελεστές αντίστασης ως δευτερεύουσα επικύρωση, αλλά και ως μία πρόταση πλαισίου για τη αξιολόγηση της τεχνολογίας των οχημάτων. Στη συνέχεια, δίνεται έμφαση στη συγκριτική αξιολόγηση της χρήσης των οχημάτων, προτείνοντας ένα πλαίσιο προσομοίωσης για την αξιολόγηση της μέσης απόδοσης σε επίπεδο στόλου υπό διαφορετικές συνθήκες χρήσης και περιβάλλοντος. Ένα λεπτομερές εργαλείο προσομοίωσης οχημάτων, κατάλληλο για την εκτέλεση λεπτομερών προσομοιώσεων στόλου συνδυάστηκε με δεδομένα και γνώση από πραγματικές συνθήκες για τη δημιουργία ενός πλαισίου προσομοίωσης πραγματικού κόσμου. Στόχος ήταν να αναλυθούν οι μέσες εκπομπές CO2 και η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας στην ΕΕ και πώς οι παράγοντες επηρεάζουν τη διαφορά από τις πιστοποιημένες τιμές κατανάλωσης των οχημάτων. Τέλος, η διατριβή αξιολογεί την αποτελεσματικότητα της πολιτικής CO2 προς την αλλαγή της σύνθεσης του στόλου οχημάτων. Χρησιμοποιώντας τη γνώση που αποκτήθηκε για τη μοντελοποίηση του στόλου οχημάτων, γίνεται μια προσπάθεια ανάλυσης της επιρροής των πολιτικών CO2 για τα επιβατικά αυτοκίνητα. Για να προκύψει ένα αξιόπιστο αποτέλεσμα, συγκρίθηκαν δύο περιοχές: η ΕΕ, όπου οι εκπομπές CO2 ρυθμίζονται για πάνω από δεκαπέντε χρόνια, και η Αυστραλία, η οποία εισήγαγε πρόσφατα παρόμοια μέτρα. Μετά τη σύγκριση μιας μοντέρνας σύνθεσης στόλου των νεοεισαχθέντων οχημάτων, υπολογίζεται το ποσοστό των οχημάτων μηδενικών εκπομπών που απαιτείται για την επίτευξη των στόχων που έχουν τεθεί στις δύο περιοχές. Συνολικά, τα αποτελέσματα της διατριβής παρέχουν επιστημονική υποστήριξη, στοιχεία και ιδέες για την κατανόηση της επιρροής των τρεχόντων εκτελεστικών κανονισμών, καθώς και των κανονισμών που θα εμφανιστούν τα επόμενα χρόνια.