Large-scale Adoption of Medium- and Heavy-Duty Battery Electric Trucks : A techno-economic-environmental impact assessment

Abstract

Tieliikenteen tavarankuljetusten kasvihuonekaasupäästöjen vähentäminen on keskeistä kansallisten ja kansainvälisten ilmastotavoitteiden saavuttamiseksi. Keskiraskaat ja raskaat akkusähkökuorma-autot (BET) tarjoavat lupaavan ratkaisun erityisesti keskipitkällä ja pitkällä aikavälillä, kun niiden käyttöä tuetaan vähäpäästöisellä sähköntuotannolla ja strategisella infrastruktuurilla. Sähkökuorma-autojen odotetaan olevan keskeisessä roolissa liikennesektorin päästövähennystavoitteiden saavuttamisessa, kuten EU:n tavoitteessa vähentää liikenteen kasvihuonekaasupäästöjä 90 % vuoteen 2050 mennessä (vuoden 1990 tasoon verrattuna) ja Suomen hiilineutraaliustavoitteessa vuoteen 2035 mennessä.

Tämä väitöskirja esittelee kattavan teknis-taloudellis-ympäristöllisen arvioinnin sähkökuorma-autojen laajamittaisesta käyttöönotosta keskiraskaassa ja raskaassa tieliikenteen tavarankuljetuksessa neljän julkaisun (Julkaisut 1–4) kautta. Geospatiaalisen simuloinnin, kuljetusketjuanalyysin, elinkaaren kasvihuonekaasupäästöarvioinnin (LCA), teknis-taloudellisen mallinnuksen ja infrastruktuurisuunnittelun avulla tutkimus arvioi sähkökuorma-autojen toiminnallista toteutettavuutta, ympäristöhyötyjä ja kustannuskilpailukykyä eri kuormakapasiteettien, kuljetusprofiilien ja sähköistämisskenaarioiden osalta.

Julkaisu 1 esittelee geospatiaalisen mallinnusmenetelmän sähkökuorma-autojen toiminnallisen kattavuuden arvioimiseksi Suomessa ja Sveitsissä. Tulokset osoittavat, että jopa 30 tonnin kuormakapasiteetin omaavat sähkökuorma-autot voivat kattaa merkittävän osan kuljetusmatkoista – jopa 93 % Suomessa ja 89 % Sveitsissä – nykyisillä akku- ja latausteknologioilla. Raskaampien ajoneuvojen osalta tarvitaan täydentäviä ratkaisuja, kuten sähköteitä (ERS) ja toimintamatkaa laajentavaa teknologiaa, erityisesti Suomessa, jossa pitkän matkan raskaat kuljetukset ovat yleisempiä.

Julkaisu 2 laajentaa analyysiä arvioimalla sähkökuorma-autojen elinkaaren kasvihuonekaasupäästöjen vähennyspotentiaalia. Lyhyen aikavälin sähköistämisskenaarioissa päästövähennykset ovat Suomessa maltillisia (12–30 %), mutta Sveitsissä merkittäviä (jopa 74 %), mikä johtuu eroista sähköntuotannon päästöintensiteetissä ja kuljetusprofiileissa. Keskipitkällä ja pitkällä aikavälillä, kun akkuteknologia, latausinfrastruktuuri ja sähköntuotannon hiilidioksidipäästöt kehittyvät, päästövähennykset voivat nousta jopa 95 %:iin Suomessa ja 93 %:iin Sveitsissä.

Julkaisu 3 kehittää yksityiskohtaisen ajokustannusten laskentamallin (LCOD) sähkökuorma-autojen ja perinteisten dieselkuorma-autojen (CT) kustannuskilpailukyvyn arvioimiseksi. Malli tunnistaa keskeiset kustannustekijät – kuten akun hinta, latausteho, ympäristön lämpötila ja mahdollisuuslataus – ja osoittaa, että sähkökuorma-autot voivat olla taloudellisesti kilpailukykyisiä kaupunkikuljetuksissa ja lyhyillä matkoilla, erityisesti alle 40 tonnin ajoneuvoissa. Pitkän matkan kuljetuksissa ja raskaammissa ajoneuvoissa kustannuskilpailukyky edellyttää politiikkatoimia tai teknologisia läpimurtoja. Tutkimus esittelee myös optimaalisen toimintamatkan suunnittelun keinona kustannusten vähentämiseksi.

Julkaisu 4 keskittyy infrastruktuurisuunnitteluun ja käyttää kuljetusketjuanalyysiä arvioidakseen sähköntarvetta ja lataustehoa sähkökuorma-autojen valtakunnallisessa käyttöönotossa Suomessa. Tutkimus korostaa yhdistettyjen latausjärjestelmien (CCS) ja megawattitason latausjärjestelmien (MCS) merkitystä erilaisten kuljetusprofiilien tukemisessa. Tulokset osoittavat, että noin 20 % sähköntarpeesta saattaa vaatia MCS-latausasemia maanteillä, ja että noin 65 % nykyisestä kuljetussuoritteesta voitaisiin hoitaa sähkökuorma-autoilla ilman muutoksia kuljetusaikatauluihin, edellyttäen strategista MCS-latausasemien sijoittelua ja kuljettajien pakollisten lepotaukojen hyödyntämistä. Mahdollisuuslataus lastaus- ja purkupaikoilla tukee infrastruktuuria ja vähentää painetta varikkolataukseen.

Yhdessä nämä julkaisut muodostavat vahvan perustan sähkökuorma-autojen arvioinnille ja tarjoavat käytännön suosituksia päättäjille, tutkijoille ja alan toimijoille tieliikenteen tavarankuljetusten sähköistämiseksi teknologian, infrastruktuurin ja sääntelyn keinoin.

Reducing greenhouse gas (GHG) emissions from road freight transport is essential to achieving national and international climate targets. Medium- and heavy-duty battery electric trucks (BETs) offer a promising solution, particularly in the medium-and long-term, when supported by low-carbon electricity and strategic infrastructure. BETs are expected to play a central role in meeting sectoral goals, such as the EU’s 90% transport emission reduction by 2050 (compared to 1990 levels) and Finland’s carbon neutrality target by 2035.

This thesis presents a comprehensive techno-economic-environmental impact assessment of large-scale BET adoption for medium- and heavy-duty freight in four publications (Publication 1–4). Using geospatial simulation, trip chain analysis, life-cycle assessment (LCA), techno-economic modelling, and infrastructure planning, the study evaluates BETs’ operational feasibility, environmental benefits, and cost competitiveness across various payload capacities, trip profiles, and electrification scenarios.

Publication 1 introduces a geospatial modelling framework to evaluate the operational coverage of BETs in Finland and Switzerland. The analysis demonstrates that BETs with payload capacities up to 30 t can achieve high trip electrification potential—covering up to 93% of trips in Finland and 89% in Switzerland—using currently available battery and plug-in charging technologies. For heavier trucks, the study highlights the necessity of complementary solutions such as electric road systems (ERSs) and range-extender technologies, particularly in Finland, where heavy long-haul freight operations pose greater challenges for full electrification.

Publication 2 extends the analysis by quantifying the life-cycle GHG emission reduction potential of BET adoption. It shows that short-term electrification scenarios result in modest reductions in Finland (12–30%) but substantial reductions in Switzerland (up to 74%), primarily due to differences in electricity generation emissions and freight transport patterns. In the medium- and long-term, with advancements in battery technology, charging infrastructure, and electricity decarbonisation, the potential GHG reductions could reach up to 95% in Finland and 93% in Switzerland.

Publication 3 develops a detailed levelized cost of driving (LCOD) model to evaluate the economic competitiveness of BETs versus conventional diesel trucks (CTs). It identifies key cost drivers—including battery price, charging power, ambient temperature, and opportunity charging potential—and shows that BETs can be cost-competitive in urban and short-haul applications, especially for trucks under 40 t GVW. However, long-haul operations and heavier trucks remain economically challenging without policy support or technological breakthroughs. The study also introduces optimal driving range design as a strategy to minimise costs and improve BET viability.

Publication 4 focuses on infrastructure planning, using trip chain analysis to estimate electricity demand and charging power requirements for nationwide BET deployment in Finland. It highlights the importance of integrating both Combined Charging Systems (CCSs) and Megawatt Charging Systems (MCSs) to support diverse operational profiles. The results show that approximately 20% of electricity demand may require MCSs at on-road stations, and that 65% of current tonne-kilometre demand could be met by BETs without altering trip schedules, assuming strategic placement of MCSs and effective use of mandatory rest breaks. Opportunity charging at loading/unloading sites is identified as a valuable supplement to reduce pressure on depot charging infrastructure.

Together, these studies provide a robust framework for evaluating BET adoption, offering actionable insights for policymakers, researchers, and industry stakeholders aiming to decarbonise freight transport through strategic technology deployment, infrastructure investment, and regulatory support.