environmental impact assessment of rail freight ... environmental impact assessment of rail freight

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  • Environmental impact assessment of rail

    freight intermodality in Belgium using a

    Life Cycle Assessment approach

    January 2019

    A dissertation presented in partial fulfilment of the requirements

    for the degree of Doctor in Engineering Sciences

    Angel Luis Merchan Arribas

    Supervisor: Prof. Angélique Léonard

    University of Liège

    Faculty of Applied Sciences

    Chemical Engineering

    PEPs - Products, Environment, Processes

  • Members of the PhD thesis Jury


    Prof. Angélique Léonard

    Université de Liège (Belgium)

    Committee members:

    Dr. Sandra Belboom

    HELMo (Belgium)

    Prof. Mario Cools

    Université de Liège (Belgium)

    Prof. Sabine Limbourg

    Université de Liège (Belgium)


    Dr.-Ing. Enrico Benetto

    Luxembourg Institute of Science and Technology (Luxembourg)

    Prof. Dominique Toye (President of the Jury)

    Université de Liège (Belgium)

    Prof. Joeri Van Mierlo

    Vrije Universiteit Brussels (Belgium)

  • i


    Freight transport is a crucial sector for the development of the economy and society, but it also

    produces negative impacts on the environment and the human health that must be considered.

    Intermodal freight transport represents an opportunity to achieve a transport of goods with

    enhanced environmental and competitive characteristics. Hence, intermodal freight transport

    consists in the transport of goods by at least two modes of transport, in the same loading unit

    (e.g. container), without handling the goods themselves when changing modes in an intermodal

    terminal. Intermodal freight transport leads to the shifting of road freight transport in long

    distances to others modes of transport with improved environmental performance such as rail

    freight transport and inland waterways transport.

    This thesis is concerned with a study of the environmental impacts of rail freight intermodality

    using a life cycle approach. The purpose of this research is to analyse the environmental impacts

    of the different inland freight transport modes in Belgium (focusing on rail freight transport),

    and their use in intermodal freight transport routes in Belgium and Europe. In this framework,

    the Life Cycle Assessment (LCA) methodology constitutes an effective tool to assess the

    environmental impact of the inland freight transport modes. The system perspective of the LCA

    methodology implies the need to analyse not only the direct processes related to the transport

    activity such as energy consumption and exhaust emissions, but also the processes connected

    with the electricity and fuel production, vehicles (e.g. locomotives and wagons, barges and

    lorries) and infrastructure (e.g. railway, inland waterways and road).

    This thesis studies the inland freight transport in Belgium from the period 2006 to 2012. It has

    been carried out the LCA of rail freight transport (distinguishing between electric and diesel

    traction), inland waterways transport and road freight transport independently. A comparison

    between the environmental impacts of these inland freight transport modes has been performed

    as well. Within rail freight transport, the environmental impacts of electric trains using the

    electricity supply mix of different European countries have been compared. Moreover, a

    detailed study of the life cycle phases of construction, maintenance and disposal of railway

    infrastructure has been conducted. Furthermore, the influence of load factor and emission

    engine technology in the environmental performance of road transport have been studied.

    In addition, a study of the environmental impacts of consolidated intermodal freight transport

    routes in Belgium and Europe have been carried out. The aim of this analysis is the comparison

    of the environmental impacts of these intermodal routes depending on the transport mode

    chosen for the major part of the intermodal route.

    Finally, this thesis studies the environmental impact of the modal splits of inland freight

    transport in Belgium for several scenarios such as the increase of rail freight transport as a result

    of the possible development of the intermodal rail freight transport or the optimization of the

    operational costs. It has been analysed how the change of the modal split and the improvement

    of the technology used by the different transport modes affects the environmental impacts of

    inland freight transport in Belgium.

  • ii

  • iii


    Le transport de marchandises est un secteur crucial pour le développement de l'économie et de

    la société, mais il produit également des impacts négatifs sur l'environnement et la santé

    humaine qui doivent être pris en compte. Le transport intermodal de marchandises représente

    une opportunité de parvenir à un transport de marchandises présentant des caractéristiques

    environnementales et compétitives améliorées. Par conséquent, le transport intermodal de

    marchandises consiste dans le transport de marchandises par au moins deux modes de transport,

    dans la même unité de chargement (par exemple, un conteneur), sans manipulation des

    marchandises elles-mêmes lors du changement de mode dans un terminal intermodal. Le

    transport intermodal de marchandises entraîne le déplacement du fret routier sur de longues

    distances par rapport à d'autres modes de transport à performance environnementale améliorée,

    tels que le fret ferroviaire et le transport fluvial.

    Cette thèse porte sur une étude des impacts environnementaux du transport intermodal de fret

    ferroviaire en utilisant une approche de cycle de vie. Le but de cette recherche est d'analyser les

    impacts environnementaux des différents modes de transport de fret terrestre en Belgique (en

    se concentrant sur le transport de fret ferroviaire), ainsi que leur utilisation sur les itinéraires de

    transport de fret intermodal en Belgique et en Europe. Dans ce cadre, la méthodologie d'Analyse

    du Cycle de Vie (ACV) constitue un outil efficace pour évaluer l'impact environnemental des

    modes de transport utilisées dans le trafic intérieur de marchandises. L’approche système de la

    méthodologie d’ACV implique la nécessité d’analyser non seulement les processus directs liés

    aux activités de transport, tels que la consommation d’énergie et les émissions de gaz

    d'échappement, mais également les processus liés à la production d'électricité et de carburant,

    aux véhicules (par exemple, locomotives et wagons, barges et camions) et des infrastructures

    (par exemple, chemins de fer, voies navigables et routes).

    Cette thèse étudie le transport de fret intérieur en Belgique de 2006 à 2012. Il a été réalisé

    l’ACV du transport de fret ferroviaire (en faisant la distinction entre traction électrique et

    diesel), du transport fluvial et du transport routier des marchandises. Une comparaison entre les

    impacts environnementaux de ces modes de transport de fret intérieur a également été réalisée.

    Dans le transport de fret ferroviaire, les impacts environnementaux des trains électriques

    utilisant le mix électrique de différents pays européens ont été comparés. En outre, une étude

    détaillée des phases du cycle de vie de la construction, de la maintenance et de la fin de vie des

    infrastructures ferroviaires a été réalisée. De plus, l’influence des facteurs de charge et des

    technologies pour réduire les émissions des moteurs du transport routier a été étudiée.

    En outre, une étude des impacts environnementaux des routes de transport intermodal de

    marchandises consolidées en Belgique et en Europe a été réalisée. Le but de cette analyse est

    de comparer les impacts environnementaux de ces routes intermodales en fonction du mode de

    transport choisi pour la majeure partie de la route intermodale.

    Enfin, cette thèse étudie l’impact sur l’environnement de la répartition modale des transports

    de fret intérieurs en Belgique dans plusieurs scénarios, tels que l’augmentation du transport de

    fret ferroviaire résultant du développement du transport intermodal ou l’optimisation des coûts

    opérationnels. Il a été analysé comment le changement de la répartition modale et l'amélioration

    de la technologie utilisée par les différents modes de transport affectent les impacts

    environnementaux du transport de fret intérieur en Belgique.

  • iv

  • v


    I have spent four years in Liège to conduct this thesis, during which many people have helped

    me in one way or another to successfully accomplish this project. These four years have been

    full of professional and personal changes, which have undoubtedly marked my future as a

    person and as a scientist.

    First of all, I am most thankful to my supervisor Angélique Léonard. She gave me the


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