Green ports: towards energy efficiency and environmental sustainability

Abstract

The transition of ports towards energy-efficient and low-emission operations has become a strategic priority within international and European transport policy. Among the available decarbonisation pathways in the green transition of ports, electrification has received significant attention and considered as one of the rapidly expanding approaches. Nevertheless, the implementation of this approach represents a complex transition process, influenced by interactions between technological maturity, financial resources, infrastructure readiness, regulatory requirements and operational conditions. Rather than examining port electrification as a collection of individual technologies or static investment decisions, this dissertation reconceptualises this transition as a dynamic system within the broader context of “greening” of ports. By capturing the interactions between technological, economic, infrastructural and regulatory factors over time, the proposed System Dynamics framework supports port authorities and policymakers in evaluating alternative investment pathways, identifying critical constraints and making more informed strategic decisions under conditions of uncertainty. Against this background, the dissertation aims to address the key research question of how ports can evaluate and prioritise strategies for electrification and energy efficiency under conditions of uncertainty, while facilitating their transition towards environmentally sustainable operations. To address this central research question, the research investigates the challenges and opportunities associated with port electrification, examines how investment allocation and sequencing influence long-term transition pathways, explores how the complexity and uncertainty of these interactions can be represented through a dynamic modelling framework, and identifies the key factors shaping electrification strategies under infrastructure constraints, investment dynamics and system interdependencies .The research first establishes the problem context through a systematic review of the literature, complemented by an extensive synthesis of international port practices and documented implementation cases, highlighting the principal environmental challenges, observed across ports worldwide. It provides a comprehensive understanding of the literature with an extensive analysis of port case studies and good green practices internationally, establishing an integrated evidence base on the implementation of green port measures across different operational and geographical contexts. The enabling and constraining factors implementing electrification measures are synthesised through a PESTLE analysis and subsequently operationalised within a System Dynamics modelling framework, where they are transformed into endogenous variables, causal feedback structures and stock-and-flow relationships that capture the dynamic evolution of port electrification over time. The developed model incorporates the principal electrification measures currently implemented in ports, including Shore-Side Electricity (SSE-OPS), electrification of cargo-handling equipment, charging infrastructure for heavy-duty vehicles and electricity grid upgrades. An illustrative application for medium-sized European ports is developed to investigate alternative investment strategies under different funding conditions, implementation priorities and infrastructure constraints over a thirty-year planning horizon. The model is further subjected to structural, behavioural and robustness tests, substantiating the reliability of its internal consistency and its suitability as a strategic decision-support framework. The analysis demonstrates that the effectiveness of port electrification depends not only on the adoption of individual technologies but also on the dynamic interactions between investment allocation, infrastructure deployment, electricity demand, grid capacity and implementation sequencing. The findings identify electricity infrastructure readiness as a critical factor influencing the pace of electrification, while also demonstrating that investment timing and capital allocation decisions substantially affect long-term transition outcomes. The results further indicate that electrification pathways are characterised by path dependency, highlighting the importance of coordinated planning and timely infrastructure development. Methodologically, the research establishes a transparent framework for integrating qualitative evidence with quantitative System Dynamics modelling, enabling the representation of feedback mechanisms, delays and resource constraints that are not adequately addressed by existing analytical approaches. From a practical perspective, the proposed framework provides a flexible decision-support tool capable of assisting port authorities and policymakers in prioritising investments, assessing alternative transition pathways and supporting the long-term planning of energy-efficient and environmentally sustainable ports.

Η μετάβαση προς ενεργειακά αποδοτικές και χαμηλών εκπομπών λιμενικές λειτουργίες έχει καταστεί στρατηγική προτεραιότητα στο πλαίσιο της διεθνούς και ευρωπαϊκής πολιτικής μεταφορών. Μεταξύ των διαθέσιμων μεθόδων απανθρακοποίησης στην πράσινη μετάβαση των λιμένων, ο εξηλεκτρισμός έχει λάβει σημαντική προσοχή και θεωρείται μία από τις ταχύτερα αναπτυσσόμενες προσεγγίσεις. Ωστόσο, η εφαρμογή αυτής της προσέγγισης αποτελεί μια πολύπλοκη διαδικασία, η οποία επηρεάζεται από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ της τεχνολογικής ωριμότητας, των οικονομικών πόρων, της ετοιμότητας των υποδομών, των κανονιστικών απαιτήσεων και των λειτουργικών συνθηκών. Αντί να εξετάζει τον εξηλεκτρισμό των λιμένων ως ένα σύνολο μεμονωμένων τεχνολογιών ή στατικών επενδυτικών αποφάσεων, η παρούσα διατριβή επαναπροσδιορίζει την προσέγγιση αυτή ως ένα δυναμικό σύστημα στο ευρύτερο πλαίσιο της πράσινης μετάβασης των λιμένων. Καταγράφοντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ υποδομής, τεχνολογικών, οικονομικών, και κανονιστικών παραγόντων στο πέρασμα του χρόνου, το προτεινόμενο πλαίσιο της Δυναμικής των Συστημάτων υποστηρίζει τις λιμενικές αρχές και τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής και λήψης αποφάσεων στην αξιολόγηση εναλλακτικών επενδυτικών διαδρομών, στον εντοπισμό κρίσιμων περιορισμών και στη λήψη πιο τεκμηριωμένων στρατηγικών αποφάσεων υπό συνθήκες αβεβαιότητας. Στο πλαίσιο αυτό, η διατριβή στοχεύει να εξετάσει το βασικό ερευνητικό ερώτημα σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο οι λιμένες μπορούν να αξιολογούν και να ιεραρχούν στρατηγικές για τον εξηλεκτρισμό και την ενεργειακή απόδοση υπό συνθήκες αβεβαιότητας, διευκολύνοντας παράλληλα τη μετάβασή τους προς περιβαλλοντικά βιώσιμες λειτουργίες. Για την αντιμετώπιση αυτού του κεντρικού ερευνητικού ερωτήματος, η έρευνα εξετάζει τις προκλήσεις και τις ευκαιρίες που συνδέονται με τον εξηλεκτρισμό των λιμένων, αναλύει τον τρόπο με τον οποίο η κατανομή και η αλληλουχία των επενδύσεων επηρεάζουν τις μακροπρόθεσμες πορείες μετάβασης, διερευνά πώς η πολυπλοκότητα και η αβεβαιότητα αυτών των αλληλεπιδράσεων μπορούν να αποτυπωθούν μέσω ενός πλαισίου δυναμικής μοντελοποίησης και προσδιορίζει τους βασικούς παράγοντες που διαμορφώνουν τις στρατηγικές εξηλεκτρισμού υπό περιορισμούς υποδομών, δυναμική επενδύσεων και αλληλεξαρτήσεις του συστήματος. Η έρευνα καθορίζει αρχικά το πλαίσιο του προβλήματος μέσω μιας συστηματικής ανασκόπησης της βιβλιογραφίας, η οποία συμπληρώνεται από μια εκτενή σύνθεση διεθνών λιμενικών πρακτικών και τεκμηριωμένων περιπτώσεων εφαρμογής, επισημαίνοντας τις κύριες περιβαλλοντικές προκλήσεις που παρατηρούνται σε λιμάνια παγκοσμίως. Παρέχει, επίσης, μια ολοκληρωμένη κατανόηση της βιβλιογραφίας με εκτενή ανάλυση διεθνών μελετών περιπτώσεων λιμένων και ορθών «πράσινων» πρακτικών, δημιουργώντας μια ολοκληρωμένη βάση τεκμηρίωσης σχετικά με την εφαρμογή μέτρων «πράσινων» λιμένων σε διαφορετικά επιχειρησιακά και γεωγραφικά πλαίσια. Οι παράγοντες που ευνοούν και οι παράγοντες που περιορίζουν την εφαρμογή μέτρων εξηλεκτρισμού συνθέτονται μέσω μιας ανάλυσης PESTLE και, στη συνέχεια, ενσωματώνονται σε ένα πλαίσιο μοντελοποίησης Συστημικής Δυναμικής, όπου μετατρέπονται σε ενδογενείς μεταβλητές, δομές αιτιώδους ανατροφοδότησης και σχέσεις αποθεμάτων και ροών που αποτυπώνουν τη δυναμική εξέλιξη του εξηλεκτρισμού των λιμένων με την πάροδο του χρόνου. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε ενσωματώνει τα βασικά μέτρα εξηλεκτρισμού λιμενικών λειτουργιών που εφαρμόζονται επί του παρόντος στους λιμένες, συμπεριλαμβανομένης της παροχής ηλεκτρικού ρεύματος στα πλοία από την ξηρά (SSE-OPS), του ηλεκτρικού εξοπλισμού διακίνησης φορτίων, της υποδομής φόρτισης για βαρέα οχήματα και των αναβαθμίσεων του ηλεκτρικού δικτύου. Αναπτύχθηκε μια ενδεικτική εφαρμογή για μεσαίου μεγέθους ευρωπαϊκούς λιμένες, με σκοπό τη διερεύνηση εναλλακτικών επενδυτικών στρατηγικών υπό διαφορετικές συνθήκες χρηματοδότησης, προτεραιότητες υλοποίησης και περιορισμούς υποδομών, σε ένα χρονικό ορίζοντα σχεδιασμού τριάντα ετών. Το μοντέλο υποβάλλεται περαιτέρω σε δομικές, συμπεριφορικές και δοκιμές ανθεκτικότητας, οι οποίες τεκμηριώνουν την αξιοπιστία της εσωτερικής του συνοχής και την καταλληλότητά του ως πλαισίου στρατηγικής υποστήριξης λήψης αποφάσεων. Η ανάλυση καταδεικνύει ότι η αποτελεσματικότητα της ηλεκτροκίνησης των λιμένων εξαρτάται όχι μόνο από την υιοθέτηση μεμονωμένων τεχνολογιών, αλλά και από τις δυναμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ της κατανομής των επενδύσεων, της ανάπτυξης υποδομών, της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, της χωρητικότητας του δικτύου και της αλληλουχίας υλοποίησης. Τα ευρήματα προσδιορίζουν την ετοιμότητα της υποδομής ηλεκτρικής ενέργειας ως κρίσιμο παράγοντα που επηρεάζει τον ρυθμό του εξηλεκτρισμού, ενώ παράλληλα καταδεικνύουν ότι ο χρονισμός των επενδύσεων και οι αποφάσεις κατανομής κεφαλαίων επηρεάζουν ουσιαστικά τα μακροπρόθεσμα αποτελέσματα της μετάβασης. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν επίσης ότι το αποτέλεσμα της επιτυχημένης μετάβασης εξαρτάται από την πορεία υλοποίησης, τονίζοντας τη σημασία του συντονισμένου σχεδιασμού και της έγκαιρης ανάπτυξης υποδομών. Μεθοδολογικά, η έρευνα δημιουργεί ένα πλαίσιο για την ενσωμάτωση ποιοτικών στοιχείων και ποσοτικών παραμέτρων σε ένα μοντέλο Δυναμικής Συστημάτων επιτρέποντας την απεικόνιση μηχανισμών ανατροφοδότησης, καθυστερήσεων και περιορισμών πόρων που δεν αντιμετωπίζονται επαρκώς από τις υπάρχουσες αναλυτικές προσεγγίσεις. Από πρακτική άποψη, το προτεινόμενο πλαίσιο παρέχει ένα ευέλικτο εργαλείο υποστήριξης λήψης αποφάσεων, ικανό να βοηθήσει τις λιμενικές αρχές και τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής στην ιεράρχηση των επενδύσεων, στην αξιολόγηση εναλλακτικών διαδρομών μετάβασης και στη στήριξη του μακροπρόθεσμου σχεδιασμού ενεργειακά αποδοτικών και περιβαλλοντικά βιώσιμων λιμένων.