Cost-optimal Integration of Innovative Powertrain Technologies into Rail Vehicles

Abstract

Railway is an essential transportation mode in nowadays society, both for passengers and goods. Considering that the relation between the carried passenger activity and the derived pollutant emissions is lower than in road transport, railway becomes an essential stakeholder in the path towards transport decarbonization. During the last decades, a significant effort to electrify railway lines has been carried out globally. However, due to its high cost, electrification is not always cost-efficient. Consequently, 65% of rail tracks are not electrified yet, and diesel still accounts for 53% of the global railway sector energy use. This demonstrates the importance of searching for cleaner alternatives also in the railway sector. Recent techno-economic developments have pushed the use of greener technologies such as batteries and fuel cells in various transport applications, including railway vehicles. Due to their technical limitations, hybrid architectures such as the diesel-battery or the fuel cellbattery become the most promising options, or even the only feasible ones, in many cases. This hybridization involves additional complexity compared to traditional architectures. In essence, the main challenge consists of obtaining a cost-efficient solution compared to conventional vehicles, which will also enable a cleaner transportation. With the aim of obtaining that cost-efficient solution, this Ph.D. Thesis focuses on the design of the powertrain of railway vehicles. Important features to be considered during the powertrain design include the selection of the technologies to be integrated into the powertrain, the size of the powertrain elements, and the energy management strategy. Traditionally, these features are defined ad-hoc for a specific context (i.e., for a particular driving cycle or economic framework), but this is a time-consuming process, and the replicability of the conclusions is limited. Therefore, evaluating the impact that the different features of the specific context have on the optimal powertrain design can help simplify the efforts of the design approach. In order to overcome all these challenges, this Ph.D. Thesis proposes and implements a holistic design methodology to achieve a cost-optimal integration of fuel cell and battery systems in railway vehicles. The holistic design methodology is based on a complete analysis of the Life Cycle Cost, which is composed of several steps. Firstly, the cost of integrating different powertrain sizes, battery technologies and energy management strategies is compared. Secondly, the obtained conclusions are evaluated in different frameworks, including multiple railway routes and economic contexts. For the development of this analysis, a power flow-based simulation model is set. This model is based on the Itiner tool previously developed by CAF I+D, and it is fed with the data provided by CAF Power & Automation. This will allow using realistic vehicle and route data to develop the mentioned Life Cycle Cost analysis. Moreover, within the development of this analysis, this Ph.D. Thesis also proposes several innovative energy management strategies and a novel chemistry-dependent battery lifetime estimation model. Once the holistic design methodology is explained in detail, the methodology and the whole Life Cycle Cost analysis are implemented in two case studies. Each of the case studies of this Ph.D. Thesis is based on one of the railway vehicle topologies mentioned above: (1) the diesel-battery hybrid topology, and (2) the fuel cell-battery hybrid topology. The development of the two case studies will provide valuable conclusions for the design of railway vehicle powertrains that integrate battery and fuel cell systems. These conclusions are claimed to be especially helpful for railway manufacturers to make decisions regarding the powertrain design of hybrid diesel-battery or fuel-cell battery vehicles.

Trenbidea funtsezko garraio mota da gaur egungo gizartean, bai pertsonen mugimendurako zein merkataritzarako. Errepideko garraioarekin konparatuz, trenbideek eragiten duten kutsadura bidaiari bakoitzeko baxuagoa da. Beraz, trenbidea funtsezko elementua bihurtzen da garraioaren dekarbonizazio bidean. Azken hamarkadetan trenbideak elektrifikatzeko ahalegin garrantzitsua egin da mundu mailan. Hala ere, bere kostu altuaren ondorioz, elektrifikazioa ez da beti errentagarria. Ondorioz, gaur egun trenbideen %65-a ez dago elektrifikatuta oraindik, eta sektorearen oinarrizko energia erabileraren %53-a dieselaren bidez egiten da. Honek erakusten du trenbidearen sektorean ere alternatiba garbiagoak bilatu behar direla. Azken urteetako garapen tekno-ekonomikoen eraginez, hainbat garraio aplikazioetan (trenbide ibilgailuetan ere) bateriak eta erregai pilak bezalako teknologia garbien integrazioa bultzatu da. Teknologia hauen muga teknikoak direla eta, diesel-bateria edo erregai pila-bateria bezalako arkitektura hibridoak aukerarik egokienak, edo aukera bakarrak, dira kasu askotan. Hibridazioak konplexutasun gehigarria eragiten du arkitektura tradizionalen aldean. Funtsean, erronka nagusiena aukera tradizionalekin konparatuz irtenbide errentagarri bat lortzea da, zeinak garraio garbiago baten bidea irekitzea ahalbidetuko luke. Irtenbide eraginkor hori lortzeko helburuarekin, Tesi Doktoral hau trenbide ibilgailuen potentzia-trenaren diseinuan zentratzen da. Diseinu honetan kontuan hartu beharreko aspektu garrantzitsuak honakoak dira: potentzia-trenean integratuko diren teknologien hautaketa, potentzia-treneko elementuen tamaina, eta energia kudeaketarako estrategia. Tradizionalki, ezaugarri hauek ad-hoc definitzen dira testuinguru jakin baterako (hau da, ibilibide edo tesituinguru ekonomiko jakin baterako), baina hau prozesu oso luzea da, eta lortzen diren ondorioen erreplikagarritasuna mugatua da. Hori dela eta, testuinguru espezifikoaren ezaugarriek potentzia trenaren diseinuan duten inpaktua ebaluatzeak diseinu prozesuan jarri beharreko esfortzua gutxitzen lagundu dezake. Erronka guzti hauek gainditzeko, Tesi Doktoral honek tren ibilgailuetan erregai pila eta bateria sistemen integrazio errentagarria lortzeko diseinu metodo holistiko bat proposatu eta inplementatzen du. Diseinu holistikoaren metodologia “Life Cycle Cost” edo bizitza-ziklo kostuaren analisi integral batean oinarritzen da, zeina urrats desberdinez osatzen den. Lehenik, potentziatrenaren elementuen tamaina desberdinek, bateria teknologia desberdinek, eta energia kudeaketa estrategia desberdinek duten kostua alderatzen da. Ondoren, lortutako ondorioak hainbat kontextuetan ebaluatzen dira, besteak beste, hainbat ibilbide edo testuinguru ekonomikoetan. Analisi hau garatzeko, potentzia fluxuetan oinarritutako simulazio eredu bat ezarri da. Eredu hau CAF I+D enpresak lehendik garatutako Itiner simulazio tresnan oinarritzen da, eta CAF Power & Automation enpresak emandako datuekin elikatu da. Honek bizitza-ziklo kostuaren analisia garatzerako orduan ibilgailu eta ibilbide errealistak erabiltzea ahalbidetu du. Gainera, aipatutako analisiaren garapenan, Tesi Doktoral honek energia kudeaketarako hainbat estrategia proposatzen ditu, eta baita baterien bizitza estimatzeko modelo berritzaile bat ere, zeina hainbat kimiketarako parametrizatu den. Behin diseinu holistikoaren metodologia xehetasunez azalduta, metodologia eta bizitzaziklo kostuaren analisi osoa ikerketa-kasu bietan aplikatzen da. Tesi Doktoral honen ikerketa-kasu bakoitza lehen aiptautako trenbide ibilgailu topologia batean oinarritzen da: (1) diesel-bateria arkitektura hibridoa, eta (2) erregai pila-bateria arkitektura hibridoa. Bi ikerketa-kasuen garapenak bateria eta erregai pilak integratzen dituzten trenbide ibilgailuen diseinurako ondorio baliagarriak emango ditu. Ondorio hauek lagungarriak izan daitezke trenbide ibilgailuen fabrikatzaileentzat, bereziki diesel-bateria edo erregai pila-bateria ibilgailuen diseinurako erabakiak hartzerako orduan.

El ferrocarril es un modo de transporte esencial en la sociedad actual, tanto para pasajeros como para mercancías. Teniendo en cuenta que la relación entre el flujo de pasajeros/mercancías y las emisiones contaminantes derivadas es menor que en el transporte por carretera, el sector feerroviario se convierte en un actor importante en el camino hacia la descarbonización del transporte. Durante las últimas décadas, se ha llevado a cabo un importante esfuerzo para electrificar las lineas ferroviarias a nivel mundial. Sin embargo, debido a su elevado coste, la electrificación no siempre es rentable. En consecuencia, el 65% de las vías ferroviarias a nivel mundial aún no están electrificadas, y el diésel sigue representando el 53% del uso energético del sector ferroviario. Esto demuestra la importancia de buscar alternativas más limpias también en este sector. Los recientes avances tecno-economicos han impulsado el uso de tecnologías más limpias, como las baterías y las pilas de combustible, en una amplia variedad de aplicaciones de transporte, incluidos también los vehículos ferroviarios. Debido a sus limitaciones técnicas, las arquitecturas híbridas, como la batería-diesel o la pila de combustible-batería, se convierten en las opciones más prometedoras, o incluso las únicas viables, en muchos casos. Esta hibridación implica una complejidad adicional en comparación con las arquitecturas tradicionales. Esencialmente, el principal reto consiste en obtener una solución rentable en comparación con los vehículos convencionales, lo que permitirá también un transporte más limpio. Con el objetivo de obtener esa solución rentable, esta Tesis Doctoral se centra en el diseño del tren de tracción de los vehículos ferroviarios. Entre las características importantes que deben tenerse en cuenta durante el diseño del tren de tracción, se encuentran la selección de las tecnologías que se integrarán en él, el tamaño de los elementos que se integrarán, y la estrategia de gestión energética. Tradicionalemente, estas características se definen ad-hoc para un contexto específico (es decir, para un ciclo de conducción o un marco económico concreto), pero se trata de un proceso que require de mucho tiempo, y además, la posibilidad de reproducir las conclusiones es limitada. Por lo tanto, evaluar el impacto que tienen las diferentes características del contexto específico en el diseño óptimo del tren de tracción puede ayudar a simplificar los esfuerzos del proceso de diseño. Con el objetivo de superar todos estos retos, esta Tesis Doctoral propone e implementa una metodología de diseño holístico para lograr una integración óptima de sistemas basados en pilas de combustible y baterías en vehículos ferroviarios. La metodología de diseño holístico se basa en un análisis completo del “Life Cycle Cost” o coste del ciclo de vida, el cual consta de varios pasos. En primer lugar, se compara el coste de integrar diferentes tamaños de los elementos del tren de tracción, diferentes tecnologías de baterías, y diferentes estrategias de gestión energética. En segundo lugar, las conclusiones obtenidas se evalúan en diferentes marcos, incluyendo múltiples rutas ferroviarias y contextos económicos. Para el desarrollo de este análisis, se establece un modelo de simulación basado en flujos de potencia. Este modelo se basa en la herramienta Itiner desarrollada previamente por CAF I+D, y se alimenta con los datos proporcionados por CAF Power & Automation. Esto permitirá utilizar datos de vehículos y rutas realistas para desarrollar el mencionado análisis del coste de ciclo de vida. Además, dentro del desarrollo de este análisis, esta Tesis Doctoral propone también varias estrategias innovadoras de gestión energética, y un novedoso modelo de estimación de vida útil de baterías, el cual se ha parametrizado para diferentes químicas. Una vez explicada en detalle la metodología de diseño holístico, dicha metodología y todo el análsisis del coste del ciclo de vida se implementan en dos casos de estudio. Cada uno de estos casos se basa en una de las topologías de vehículos ferroviarios previamente mencionadas: (1) la topología híbrida diesel-batería, y (2) la topología híbrida pila de combustible-batería. El desarrollo de los dos casos de estudio proporcionará valiosas conclusiones para el diseño del tren de tracción de vehículos ferroviarios que integran sistemas de baterías y pilas de combustible. Estas conclusiones podrán ser especialmente útiles para que los fabricantes ferroviarios tomen decisiones sobre el diseño del tren de tracción de vehículos híbridos diesel-batería o pila de combustible-batería.