A protocol for transport decarbonisation: the italian railway case

Transport sector accounts for nearly a quarter of global CO₂ emissions, yet its representation in energy system optimisation models remains fragmented: demand models, techno-economic assessments, and infrastructure capacity analyses operate in disciplinary silos with incompatible system boundaries, classification schemes, and temporal resolutions. This thesis proposes and validates a five-step Protocol for the holistic analysis of decarbonisation strategies for the transport sector, developed through its first full application to the Italian railway system. The methodological contribution is threefold. First, the Protocol introduces a unified three-layer taxonomy — stations, vehicles, and lines — that produces archetypal units reused identically across every subsequent modelling step, eliminating the ad hoc category alignment that plagues multi-model integration. Applying this taxonomy to the Italian railway system classifies 2,105 stations into four energy archetypes, five vehicle classes by propulsion technology, and a line taxonomy yielding 97 archetypal route combinations. Second, the Protocol adopts two complementary bottom-up demand models developed in this thesis. A stochastic model, adapted from the open-source RAMP framework, generates 8,760-hour end-use-disaggregated station demand profiles across four archetypes, producing a fleet total of 468.8 GWh/yr validated within 6.2% of the national benchmark. A deterministic model based on the extended Davis equation maps traction energy across the full Italian network, extended with a Monte Carlo layer (N = 50 realisations) that identifies weekend frequency as the dominant variance source (±1.4% range) and achieves a Pearson correlation of 0.9949 against real-time data. Third, the Protocol assembles the techno-economic parameters for every technology node in the Transport-Energy System, parameterised entirely from original data synthesised from Terna, IEA, UIC Railisa, Eurostat, ART, RFI and FS/Trenitalia reports — representing the first consistent input set for Italian rail energy modelling. A station-level multi-objective optimisation — from the Milan Central base case to a 40-configuration matrix (4 archetypes × 5 climatic regions × 2 objectives) — quantifies decarbonisation potential across the full fleet, where Lorenz analysis (Gini = 0.360) confirms that 7.1% of stations account for 28.6% of fleet energy. A soft-link architecture then couples these demand profiles and technology parameters to a national energy system optimisation model, where a novel dual-input transformation framework within the Hypatia ESOM models each rail technology to simultaneously consume an energy carrier and infrastructure capacity, making track saturation an endogenous optimisation constraint. The resulting three-branch Reference Energy System — traction, infrastructure, and station supply — is embedded within the full Italian energy system for scenario analysis addressing structural uncertainty across system configurations (2020–2050). Validation on national multi-scenarios demonstrates the Protocol's diagnostic power: it reveals a 240–406 B€ cost underestimation in models that suppress infrastructure detail, identifies infrastructure saturation as early as 2026–2027 under current investment plans, quantifies modal shift as a 610 MtCO₂ cumulative abatement lever, and proves demand-side management value as structurally context-dependent (zero under announced constrained infrastructure, 61.3 B€ under optimized investment). The Protocol satisfies four criteria of evidence-based policymaking — specificity, robustness, attribution, and transferability. All tools are released as open-source software and all data sources are publicly available, ensuring replicability on any national railway system with standard reporting obligations. The Italian railway system has provided the testing ground, and the Protocol is the result — a documented path to model the next railway system easier, faster, and cheaper.

Il settore dei trasporti è responsabile di quasi un quarto delle emissioni globali di CO₂, eppure la sua rappresentazione nei modelli di ottimizzazione dei sistemi energetici rimane frammentata: i modelli di domanda, le valutazioni tecnico-economiche e le analisi della capacità infrastrutturale operano in compartimenti stagni disciplinari con confini di sistema, schemi di classificazione e risoluzioni temporali incompatibili. Questa tesi propone e convalida un protocollo in cinque fasi per l’analisi olistica delle strategie di decarbonizzazione nel settore dei trasporti, sviluppato attraverso la sua prima applicazione completa al sistema ferroviario italiano. Il contributo metodologico è triplice. In primo luogo, il Protocollo introduce una tassonomia unificata a tre livelli — stazioni, veicoli e linee — che produce unità archetipiche riutilizzate in modo identico in ogni fase successiva della modellizzazione, eliminando l'allineamento ad hoc delle categorie che affligge l'integrazione multi-modello. L'applicazione di questa tassonomia al sistema ferroviario italiano classifica 2.105 stazioni in quattro archetipi energetici, cinque classi di veicoli in base alla tecnologia di propulsione e una tassonomia delle linee che produce 97 combinazioni archetipiche di percorsi. In secondo luogo, il Protocollo adotta due modelli di domanda bottom-up complementari sviluppati nella presente tesi. Un modello stocastico, adattato dal framework open-source RAMP, genera profili di domanda delle stazioni disaggregati per uso finale su 8.760 ore per quattro archetipi, producendo un totale di 468,8 GWh/anno convalidato con uno scarto del 6,2% rispetto al benchmark nazionale. Un modello deterministico basato sull'equazione di Davis estesa mappa l'energia di trazione su tutta la rete italiana, estesa con un livello Monte Carlo (N = 50 realizzazioni) che identifica la frequenza del fine settimana come la fonte dominante di varianza (intervallo ±1,4%) e raggiunge una correlazione di Pearson pari a 0,9949 rispetto ai dati in tempo reale. In terzo luogo, il Protocollo raccoglie i parametri tecnico-economici relativi a ogni nodo tecnologico del sistema dei trasporti ed energia, interamente parametrizzati sulla base di dati originali sintetizzati dalle relazioni di Terna, IEA, UIC Railisa, Eurostat, ART, RFI e FS/Trenitalia — rappresentando il primo insieme coerente di dati di input per la modellizzazione energetica ferroviaria italiana. Un'ottimizzazione multi-obiettivo a livello di stazione — dal caso base di Milano Centrale a una matrice di 40 configurazioni (4 archetipi × 5 regioni climatiche × 2 obiettivi) — quantifica il potenziale di decarbonizzazione dell'intera flotta, dove l'analisi di Lorenz (Gini = 0,360) conferma che il 7,1% delle stazioni rappresenta il 28,6% dell'energia della flotta. Un'architettura soft-link accoppia quindi questi profili di domanda e parametri tecnologici a un modello di ottimizzazione del sistema energetico nazionale, dove un nuovo framework di trasformazione a doppio input all'interno di Hypatia ESOM modella ciascuna tecnologia ferroviaria in modo da consumare simultaneamente un vettore energetico e una capacità infrastrutturale, rendendo la saturazione dei binari un vincolo di ottimizzazione endogeno. Il Sistema Energetico di Riferimento a tre rami che ne risulta — trazione, infrastruttura e alimentazione delle stazioni — è integrato nel sistema energetico italiano completo per l’analisi di scenario che affronta l’incertezza strutturale nelle diverse configurazioni di sistema (2020–2050). La validazione su scenari multipli a livello nazionale dimostra la capacità diagnostica del Protocollo: rivela una sottostima dei costi compresa tra 240 e 406 miliardi di euro nei modelli che tralasciano i dettagli infrastrutturali, identifica la saturazione delle infrastrutture già nel 2026-2027 con gli attuali piani di investimento, quantifica il trasferimento modale come leva di riduzione cumulativa pari a 610 MtCO₂ e dimostra che il valore della gestione della domanda dipende strutturalmente dal contesto (zero in presenza delle infrastrutture limitate annunciate, 61,3 miliardi di euro con investimenti ottimizzati). Il Protocollo soddisfa quattro criteri di elaborazione delle politiche basate su dati concreti: specificità, robustezza, attribuzione e trasferibilità. Tutti gli strumenti sono rilasciati come software open-source e tutte le fonti di dati sono disponibili al pubblico, garantendo la replicabilità su qualsiasi sistema ferroviario nazionale con obblighi di rendicontazione standard. Il sistema ferroviario italiano ha fornito il banco di prova e il Protocollo ne è il risultato: un percorso documentato per modellare il prossimo sistema ferroviario in modo più semplice, veloce ed economico.