Decarbonization of public transport fleets in urban areas

Abstract

CONTEXTO E INTRODUCCIÓN El imperativo global de mitigar el cambio climático ha situado la descarbonización del sector del transporte en la vanguardia de la política medioambiental mundial. En la Unión Europea, donde el transporte representa una parte significativa de las emisiones de gases de efecto invernadero, se han establecido objetivos ambiciosos para alcanzar la neutralidad climática. Este estudio se centra en el papel fundamental de las flotas de transporte público urbano de personas en esta transición, utilizando Madrid, España, como un caso de estudio integral. La extensa y compleja red de transporte público de la ciudad, compuesta por autobuses municipales (EMT), una gran flota de taxis y vehículos de transporte con conductor (VTC), y autocares interurbanos de gestión privada, presenta un entorno ideal para analizar los multifacéticos desafíos y oportunidades de la electrificación. Aunque las políticas se han centrado tradicionalmente en la restricción a la movilidad de los vehículos privados contaminantes, el creciente uso de las flotas de transporte público ofrece un efecto multiplicador estratégico. Electrificar un solo autobús o taxi produce reducciones, si calculamos las emisiones por personas que movemos, desproporcionadamente grandes tanto de gases de efecto invernadero (CO2) como de contaminantes atmosféricos locales nocivos (NOx, PM). Este trabajo adopta un límite de emisiones "del depósito a la rueda" (tank-to-wheel) para aislar el impacto directo de las elecciones tecnológicas de la flota de la intensidad de carbono más amplia de la red eléctrica nacional, alineándose con la metodología estándar para el análisis de políticas a nivel municipal. OBJETIVOS DEL ESTUDIO El objetivo principal de este trabajo es realizar un análisis integrado, cuantitativo y comparativo de las implicaciones medioambientales y económicas de la electrificación de las principales flotas de transporte público de Madrid. El estudio busca ir más allá de los objetivos políticos de alto nivel para proporcionar simulaciones detalladas y basadas en datos que puedan fundamentar la toma de decisiones estratégicas. Para lograrlo, la investigación persigue cinco objetivos específicos: i. Modelizar la evolución tecnoeconómica: Simular la composición cambiante de cada flota, contrastando las vías de adopción impulsadas por políticas (para los autobuses) con la adopción impulsada por el mercado y basada en el Coste Total de Propiedad (TCO) para los operadores privados (taxis/VTC).

ii. Cuantificar el impacto medioambiental: Modelizar la trayectoria de reducción interanual de las emisiones de CO2, NOx y PM para cada flota bajo diferentes escenarios de electrificación entre 2025 y 2045.

iii. Evaluar el impacto en la energía y la infraestructura: Calcular la demanda eléctrica anual resultante y, de manera crucial, la potencia máxima de recarga necesaria, cuantificando así la potencial presión sobre la red eléctrica de Madrid.

iv. Determinar las implicaciones financieras: Realizar un análisis financiero básico de la transición, siguiendo la evolución tanto de los gastos de capital (CAPEX) como de los gastos operativos (OPEX) para los operadores de las flotas

v. Evaluar la robustez de los resultados: Analizar la sensibilidad de las conclusiones del modelo a los cambios en variables económicas clave, como los costes de las baterías y los precios de los combustibles. METODOLOGÍA Para abordar la complejidad del proceso de transición de las flotas, este estudio emplea un marco de Modelado Basado en Agentes (ABM, por sus siglas en inglés) implementado en MATLAB. Este enfoque computacional ascendente (bottom-up) simula las acciones discretas de miles de agentes individuales (vehículos) a lo largo del tiempo, permitiendo la observación de patrones a nivel de sistema en la composición de la flota, las emisiones y los costes. El núcleo de la metodología es su capacidad para modelizar dos paradigmas de toma de decisiones distintas: i. Adopción Impulsada por Políticas: Simula una vía de transición donde la renovación de la flota se adhiere estrictamente a objetivos gubernamentales predefinidos para la adopción de vehículos eléctricos de batería (BEV), un modelo típico de las flotas de control público como los autobuses de la EMT.

ii. Adopción Impulsada por el Mercado: Simula un entorno de libre mercado, principalmente para la flota de taxis y VTC, donde las decisiones de compra se rigen por la racionalidad económica de los operadores individuales que buscan minimizar su Coste Total de Propiedad (TCO). Al ejecutar estas simulaciones en paralelo, el estudio crea un “entorno de simulación digital” para probar hipótesis, comparar la eficacia de diferentes palancas políticas y, lo que es más importante, cuantificar la brecha potencial entre la ambición política y la realidad del mercado. RESULTADOS CLAVE Según los resultados se observa lo siguiente sobre la dinámica de la descarbonización de las flotas: i. El TCO (Total Cost of Ownership) es el factor determinante en la adopción por parte de las flotas privadas: Para los operadores comerciales, como los conductores de taxi y VTC, la decisión de electrificar está dictada de forma abrumadora por la viabilidad económica. Las simulaciones demuestran que, a menos que un vehículo eléctrico de batería (BEV) ofrezca una clara ventaja en el TCO frente a su homólogo de motor de combustión interna (MCI), la adopción por parte del mercado se quedará considerablemente rezagada respecto a los objetivos políticos.

ii. Existe un desajuste entre las políticas y la dinámica del mercado: Los planes gubernamentales suelen diseñarse en torno a objetivos de adopción lineales, mientras que el mercado responde de forma no lineal a los puntos de inflexión económicos. Esto crea un riesgo de dos fallos estratégicos: «Fallo de Ambición», donde los objetivos políticos no se alcanzan porque el argumento económico no es convincente, y «Fallo de Preparación», donde una mejora repentina en la economía de los BEV (una fuerte caída del precio) provoca que la adopción por parte del mercado supere masivamente el despliegue planificado de la infraestructura de recarga.

iii. El déficit de infraestructura de recarga es un riesgo principal: Un escenario hipotético que contemplaba la llegada masiva de BEV de bajo coste demostró que una transición rápida e impulsada por el mercado podría crear un grave déficit de infraestructura de recarga, con un pico de casi 27 MW. Esto revela que la planificación de la infraestructura debe ser proactiva y anticipar los puntos de inflexión del mercado, en lugar de simplemente reaccionar a los plazos establecidos por las políticas.

iv. El argumento económico para la electrificación marca la evolución del parque: Un segundo escenario hipotético, una «Crisis de Durabilidad de las Baterías», demostró que un único coste imprevisto a largo plazo (como la sustitución prematura de la batería) puede invertir por completo el cálculo del TCO, haciendo que los BEV sean económicamente inviables y estancando, o incluso revirtiendo, la transición. Esto subraya la importancia de la fiabilidad tecnológica a largo plazo y de la confianza del operador. CONCLUSIÓN Y ESTRATEGIAS RECOMENDADAS Este estudio concluye que una transición exitosa y eficiente hacia un sistema de transporte público de cero emisiones requiere un cambio fundamental en la formulación de políticas, pasando de mandatos rígidos a un enfoque más dinámico y modelador del mercado. CONCLUSIONES PRINCIPALES: i. Para las flotas comerciales privadas, alcanzar la paridad en el Coste Total de Propiedad (TCO) es el requisito previo más crítico para la adopción generalizada de los vehículos eléctricos de batería (BEV).

ii. La naturaleza lineal y basada en objetivos de la formulación de políticas está a menudo desalineada con el comportamiento no lineal e impulsado por el TCO del mercado, lo que crea riesgos estratégicos significativos.

iii. Una planificación de infraestructuras proactiva, e incluso «sobredimensionada», es esencial para garantizar la resiliencia frente a una rápida adopción tecnológica impulsada por el mercado.

iv. La viabilidad económica a largo plazo de la electrificación es sensible a los riesgos tecnológicos, y generar confianza en los operadores respecto a la fiabilidad y el coste de propiedad a largo plazo es tan crucial como abordar el precio de compra inicial. RECOMENDACIONES ESTRATÉGICAS Basando en estas conclusiones, se extraen las siguientes recomendaciones: i. Para los responsables políticos municipales y regionales:

o Adoptar políticas centradas en el TCO: Pasar de imponer porcentajes de adopción a gestionar activamente el TCO para los operadores mediante subvenciones dinámicas, precios competitivos de la electricidad para la recarga comercial e incentivos fiscales que amplifiquen las ventajas en OPEX de los BEV. o Planificar la infraestructura de forma proactiva: Desarrollar planes de despliegue de infraestructuras basados en pruebas de estrés del mercado y escenarios hipotéticos («what-if»), con el objetivo de crear capacidad antes de los puntos de inflexión del mercado previstos. o Reducir el riesgo de la propiedad a largo plazo: Implementar políticas que generen confianza en los operadores, como programas de garantía extendida respaldados por el gobierno para los BEV comerciales o el apoyo a modelos de «Batería como Servicio» (BaaS) que separan los costes del vehículo y de la batería.

ii. Para las Autoridades de Transporte Público (EMT):

o Acelerar la electrificación de la flota pública: Las simulaciones confirman que, para las flotas de titularidad pública, una transición más rápida no solo es superior desde el punto de vista medioambiental, sino también económicamente sólida a largo plazo debido a los significativos ahorros en OPEX. Las autoridades públicas deben predicar con el ejemplo, adoptando los plazos de electrificación más ambiciosos que sean factibles.

Esta investigación proporciona un marco analítico robusto para abordar las complejidades de la descarbonización del transporte urbano. Al comprender y abordar la interrelación entre las políticas, la tecnología y la economía, ciudades como Madrid pueden forjar un camino más eficiente, resiliente y exitoso hacia un futuro de movilidad sostenible.

INTRODUCTION AND CONTEXT The global imperative to mitigate climate change has placed the decarbonization of the transport sector at the forefront of environmental policy. In the European Union, where transport accounts for a significant portion of greenhouse gas emissions, ambitious targets have been set to achieve climate neutrality. This study focuses on the critical role of urban public transport fleets in this transition, using Madrid, Spain, as a comprehensive case study. The city's extensive and complex public transport network, comprising of municipal buses (EMT), a large fleet of taxis and private hire vehicles (VTCs), and privately operated interurban coaches, presents an ideal environment to analyze the multifaceted challenges and opportunities of electrification. While policies have traditionally focused on restricting polluting private vehicles, the high-utilization nature of public transport fleets offers a strategic multiplier effect; electrifying a single bus or taxi yields disproportionately large reductions in both greenhouse gases (CO2) and harmful local air pollutants (NOx, PM). This report adopts a "tank-to-wheel" emissions boundary to isolate the direct impact of fleet technology choices from the broader carbon intensity of the national electricity grid, aligning with the standard methodology for city-level policy analysis. OBJECTIVES OF THE STUDY The primary objective of this work is to conduct an integrated, quantitative, and comparative analysis of the environmental and economic implications of electrifying Madrid's key public transport fleets. The study aims to move beyond high-level policy goals to provide detailed, data-driven simulations that can inform strategic decision-making. To achieve this, the research pursues five specific objectives: i. Model the Techno-Economic Evolution: To simulate the changing composition of each fleet, contrasting policy-driven adoption pathways (for buses) with market-driven adoption based on Total Cost of Ownership (TCO) for private operators (taxis/VTCs). ii. Quantify the Environmental Impact: To model the year-on-year reduction trajectory of CO2, NOx, and PM emissions for each fleet under various electrification scenarios between 2025 and 2045. iii. Assess the Impact on Energy and Infrastructure: To calculate the resulting annual electricity demand and, crucially, the peak charging power required, thereby quantifying the potential strain on Madrid's electrical grid.

iv. Determine the Financial Implications: To conduct a basic financial analysis of the transition, tracking the evolution of both capital expenditures (CAPEX) and operational expenditures (OPEX) for fleet operators. v. Evaluate the Robustness of the Findings: To test the sensitivity of the model's conclusions to changes in key economic variables, such as battery costs and fuel prices, and to explore hypothetical future scenarios. METHODOLOGY To navigate the complexity of the fleet transition process, this study employs an Agent-Based Modeling (ABM) framework implemented in MATLAB. This bottom-up computational approach simulates the discrete actions of thousands of individual agents (vehicles) over time, allowing for the observation of emergent, system-level patterns in fleet composition, emissions, and costs. The core of the methodology is its ability to model two distinct decision-making paradigms: i. Policy-Driven Adoption: Simulates a transition pathway where fleet renewal adheres strictly to predefined government targets for BEV adoption, typical for publicly controlled fleets like EMT buses. ii. Market-Driven Adoption: Simulates a free-market environment, primarily for the taxi and VTC fleet, where purchasing decisions are governed by the economic rationality of individual operators seeking to minimize their Total Cost of Ownership (TCO). By running these simulations in parallel, the study creates a "digital sandbox" to test hypotheses, compare the efficacy of different policy levers, and, most importantly, quantify the potential gap between policy ambition and market reality. KEY FINDINGS The simulation results yield several insights into the dynamics of fleet decarbonization: i. The TCO is the Definitive Agent of Private Fleet Adoption: For commercial operators like taxi and VTC drivers, the decision to electrify is overwhelmingly dictated by economic viability. The simulations show that unless a Battery Electric Vehicle (BEV) offers a clear TCO advantage over its internal combustion engine (ICE) counterpart, market adoption will significantly lag behind policy targets. ii. A Critical Mismatch Exists Between Policy and Market Dynamics: Government plans are often designed around linear adoption targets, while the market responds non-linearly to economic tipping points. This creates a risk of two strategic failures: "Ambition Failure," where policy goals are missed because the economic case is not compelling, and "Preparation Failure," where a sudden improvement in BEV economics (a sharp drop in price) causes market adoption to massively outpace the planned rollout of charging infrastructure.

iii. A Charging Infrastructure Deficit is a Primary Risk: A hypothetical scenario involving the influx of low-cost BEVs demonstrated that a rapid, market-driven transition could create a severe charging infrastructure deficit, peaking at nearly 27 MW. This reveals that infrastructure planning must be proactive and anticipate market tipping points, rather than simply reacting to policy timelines. iv. The Economic Case for Electrification is Fragile: A second hypothetical scenario, a "Battery Durability Crisis," showed that a single, unforeseen long-term cost (such as premature battery replacement) can completely invert the TCO calculation, making BEVs economically unviable and stalling, or even reversing, the transition. This highlights the importance of long-term technological reliability and operator confidence. CONCLUSIONS AND STRATEGIC RECOMMENDATIONS This study concludes that a successful and efficient transition to a zero-emission public transport system requires a fundamental shift in policymaking, moving from rigid mandates to a more dynamic, market-shaping approach. MAIN CONCLUSIONS: i. For private commercial fleets, achieving TCO parity is the most critical prerequisite for widespread BEV adoption. ii. The linear, target-based nature of policymaking is often misaligned with the non-linear, TCO-driven behavior of the market, creating significant strategic risks. iii. Proactive, and even "over-provisioned," infrastructure planning is essential to ensure resilience against rapid, market-led technology uptake. iv. The long-term economic viability of electrification is sensitive to technological risks, and building operator confidence in the long-term reliability and cost of ownership is as crucial as addressing the initial purchase price. STRATEGIC RECOMMENDATIONS: Based on these conclusions, the following recommendations are proposed: i. For Municipal and Regional Policymakers:

o Adopt TCO-Focused Policies: Shift from mandating adoption percentages to actively managing the TCO for operators through dynamic subsidies, competitive electricity pricing for commercial charging, and tax incentives that amplify the OPEX advantages of BEVs. o Plan Infrastructure Proactively: Develop infrastructure rollout plans based on market stress-testing and "what-if" scenarios, aiming to build capacity in advance of projected market tipping points. o De-Risk Long-Term Ownership: Implement policies that build operator confidence, such as government-backed extended warranty programs for commercial BEVs or support for "Battery-as-a-Service" (BaaS) models that separate vehicle and battery costs. ii. For Public Transport Authorities (EMT): o Accelerate Public Fleet Electrification: The simulations confirm that for publicly owned fleets, a faster transition is not only environmentally superior but also economically sound in the long term due to significant OPEX savings. Public authorities should lead by example by pursuing the most ambitious feasible electrification timelines. This report provides a robust analytical framework for navigating the complexities of urban transport decarbonization. By understanding and addressing the interplay between policy, technology, and economics, cities like Madrid can forge a more efficient, resilient, and successful path toward a sustainable mobility future.