Integrated impact assessment of shared, automated and electric mobility

Abstract

The transport sector is central to modern society, enabling the movement of people and goods, yet its significant environmental footprint makes it a critical target for transformation, in line with global climate goals. As road transportation moves towards automation, electrification, and shared mobility, research has increasingly focused on assessing the environmental, operational, and societal implications of these emerging technologies. Despite this growing attention, significant gaps remain in the environmental assessment of shared, automated, and electric mobility systems. These evaluations frequently overlook lifecycle stages beyond the use phase, disproportionately focus on carbon emissions while neglecting other impact categories, and often fail to account for deployment strategies and user behaviour. Moreover, studies typically focus on urban and high-density areas, raising equity concerns, as less densely populated regions with fewer transportation options are often excluded. This research addresses these gaps by investigating the interplay of shared, automated and electric mobility operational and environmental impacts through a life cycle perspective, focusing on large-scale applications across different geographic and operational contexts. A novel framework integrating optimization and Agent-Based Modelling (ABM) with Life Cycle Assessment (LCA) is proposed to comprehensively evaluate Shared Automated and Electric Vehicles (SAEVs). The findings of this research reveal that the shift from the actual mobility to SAEVs can lead to significant reductions in specific impact categories, such as up to 91% reduction in global warming potential (kg CO2 eq.). However, other environmental categories such as human toxicity (kg 1.4-DCB to urban air) and mineral resource scarcity (kg Cu), increased by up to 240% and 229%, respectively. Operational performance and geographic application influence environmental outcomes, with long-term assessments proving essential for capturing the full range of effects. Optimizing fleets solely for operational efficiency does not necessarily guarantee the best environmental performance. Applying SAEVs at regional scales tends to offer more significant environmental gains than smaller geographical scales. Moreover, ridesharing configurations offer an additional 15% reduction in all impact categories compared to non ridesharing setups. The long-term viability of SAEVs depends on achieving an effective balance between operational intensity, fleet sizing, and ongoing technological advancements, particularly in vehicle lifespan and energy efficiency. This thesis introduces a methodological framework that can be adapted and applied to various mobility scenarios, providing insights into the trade-offs between operational and environmental performance. The findings emphasize the importance of aligning fleet operations with long-term environmental goals and highlight critical considerations for policymakers, such as the role of energy sources, resource management, and equitable deployment across regions.

O setor dos transportes é central para a sociedade moderna, permitindo a movimentação de pessoas e mercadorias. No entanto, a sua significativa pegada ambiental torna-o um setor-chave em transformação, em linha com os objetivos globais de combate às alterações climáticas. À medida que o transporte rodoviário avança em direção à automação, eletrificação e mobilidade partilhada, a investigação tem-se focado cada vez mais em avaliar as implicações ambientais, operacionais e sociais dessas tecnologias emergentes. Apesar deste crescente interesse, existem lacunas importantes na avaliação ambiental destes sistemas. Estas avaliações frequentemente desconsideram fases do ciclo de vida para além da fase de utilização, focam-se desproporcionalmente nas emissões de carbono e negligenciam outras categorias de impacto, além de muitas vezes não incluírem as estratégias de implementação e o comportamento dos utilizadores. Além disso, os estudos tendem a concentrar-se em áreas urbanas e de alta densidade populacional, levantando preocupações de equidade, visto que regiões menos densamente povoadas, com menos opções de transporte, são frequentemente excluídas. Esta investigação aborda essas lacunas ao explorar a relação entre os impactos operacionais e ambientais da mobilidade partilhada, automatizada e elétrica, sob uma perspetiva de ciclo de vida, com foco em aplicações em larga escala em diferentes contextos geográficos e operacionais. Um novo quadro metodológico que integra a otimização e a modelação baseada em agentes com a avaliação do ciclo de vida é proposto para avaliar de forma abrangente os Veículos Partilhados, Automatizados e Elétricos (SAEVs do inglês ‘Shared Automated and Electric Vehicles’). Os resultados desta investigação revelam que a transição da mobilidade atual para os SAEVs pode levar a reduções significativas em categorias de impacto específicas, como uma redução de até 91% no potencial de aquecimento global (kg CO2 eq.). No entanto, outras categorias ambientais, como toxicidade humana (kg 1,4-DCB no ar urbano) e escassez de recursos minerais (kg Cu), aumentaram até 240% e 229%, respetivamente. O desempenho operacional e a aplicação geográfica influenciam os resultados ambientais, sendo as avaliações a longo prazo essenciais para captar toda a gama de efeitos. A otimização de frotas exclusivamente para eficiência operacional não garante necessariamente o melhor desempenho ambiental. A aplicação de SAEVs em escalas regionais tende a oferecer ganhos ambientais mais significativos do que em escalas geográficas menores. Além disso, as configurações de partilha de viagens por utilizadores (do inglês ridesharing) oferecem uma redução adicional de 15% em todas as categorias de impacto, em comparação com configurações sem partilha de viagens. A viabilidade a longo prazo dos SAEVs depende de alcançar um equilíbrio eficaz entre a intensidade operacional, o dimensionamento da frota e os avanços tecnológicos contínuos, particularmente em relação à vida útil dos veículos e à eficiência energética. Esta tese apresenta um quadro metodológico que pode ser adaptado e aplicado a diversos cenários de mobilidade, fornecendo informações sobre os compromissos entre o desempenho operacional e ambiental. Os resultados destacam a importância de alinhar as operações das frotas com os objetivos ambientais de longo prazo e salientam considerações críticas para os decisores políticos, como o papel das fontes de energia, a gestão de recursos e a implementação equitativa em diferentes regiões.