Energy Saving Potentials in Railway Operations under Systemic Perspectives

Abstract

This thesis deals with the comprehensive topic of energy saving in railway operations. In contrast to prevailing literature, it focuses on systemic aspects and interactions, given the research question “which energy-oriented optimisations in subsystems show positive effects considering the entire railway system—and which additional saving potentials disclose by holistic analysis?” To approach this question, a more comprehensive system understanding has to be gained. Due to the high degree of complexity, a closed analytic system description is not possible. Thus, based on literature and some data, the—to the author’s best knowledge—first model describing the entire energy chain from primary energy to wheel—connecting the domains of energy generation, energy transmission, operational decisions, vehicle driving dynamics, and drive chain—is developed. The model is built hierarchically, consisting of the five major subsystems vehicle, energy supply, track, operation control, and the environment, which are themselves built up from sub-subsystems. Naturally, a that comprehensive model requires some simplifications in order to keep the scope manageable. While the driving dynamics—as core domain of railway operations—are described quite precisely, especially in energy transmission and drive chain modelling, significant simplifications are applied. For the prior, a constant catenary voltage is used to determine catenary current and losses, which is valid for 15 kV, 16.7 Hz and, with some limitations, for 25 kV, 50 Hz systems—but not for DC systems, in which the catenary voltage is strongly depending on the actual operational situation. Also, the description of the drive chain as cascade of efficiencies is limited in precision—however, electro-magneto-mechanical models are required for a higher degree of precision, not being feasible for a first approach to a model of the entire system. Altogether, the definition and implementation of this comprehensive model is successful, fulfilling a task that prior projects—as Railenergy—formulated as goal, but did not reach it. Possible approaches to energy saving are then collected from literature as first source. Thereby, the number of available publications found on this topic is that large that a complete review and treatment is impossible—which results in an expansive but not comprehensive study presented in this thesis. Additionally, the developed system model is analysed in order to understand systemic interrelations and identify possible additional saving potentials. Based on these results, the approaches of including environmental influences in operational decisions, synchronising braking and acceleration phases, and different applications of energy storage systems and supply system modifications are tested in case studies. In the end, it is found that subsystem optimisations show a positive effect on primary energy level as long as they are properly engineered—i.e., as long as no side-effects of the measure’s implementation reduce or even annihilate the optimisation effect (e.g., additional weight vs. increased efficiency). In terms of systemic potentials, only few promising approaches are found; the most important measure in a systemic context proved to be the interconnection of electric supply systems. Then, especially regenerated braking energy can be used to a higher degree, but also transmission distances can be lowered, thus reducing losses. As this is intrinsically fulfilled in (most) AC systems, this study—which focuses on 15 kV, 16.7 Hz systems—discloses significantly lower saving potentials as most of the literature, which focuses on DC metro systems that are typically fed unidirectionally. Additionally, it is found that the most suitable measure strongly depends on the actual situation, comprising the general technical-operational characteristic of the system (AC, DC; long-distance, commuter, ...) but also the specific implementation. Consequently, the future of research on energy saving in railway operations is mainly seen in applied research. Moreover, it has to be kept in mind that energy saving might conflict with other relevant aspects influencing the system’s attractiveness for its users, as time of travel or connecting services. Thus, a subtle balance between all stakeholders’ interests has to be found for each individual case.

Die vorliegende Arbeit widmet sich dem umfassenden Thema des Energiesparens im Bahnbetrieb. Im Gegensatz zur gängigen Literatur konzentriert sie sich dabei auf Systemaspekte und -interaktionen mit der Forschungsfrage “Welche energieorientierten Optimierungen in Teilsystemen zeigen positive Effekte unter Berücksichtigung des gesamten Bahnsystems – und welche zusätzlichen Energiesparpotentiale ergeben sich durch ganzheitliche Betrachtung?” Zwecks Beantwortung ist zuerst ein umfassendes Systemverständnis zu gewinnen. Aufgrund des hohen Komplexitätsgrades ist eine geschlossene analytische Systembeschreibung nicht möglich. Auf Grundlage der Literatur und einiger Daten wird deshalb das – nach bestem Wissensstand des Autors – erste Modell, welches die gesamte Energiekette von der Primärenergie bis zum Rad abbildet, entwickelt. Dabei werden die Bereiche Energieerzeugung, Energieversorgung, Betriebsführung, Fahrdynamik und Antriebsstrang verbunden. Das Modell ist hierarchisch aus den fünf Haupt-Teilsystemen Fahrzeug, Energieversorgung, Gleis, Betriebsführung und Umwelt aufgebaut, die selbst wiederum aus Teilsystemen bestehen. Natürlich erfordert ein solch umfassendes Modell diverse Vereinfachungen, um es handhabbar zu halten. Während die Fahrdynamik als Kernfunktion des Bahnbetriebs sehr genau beschrieben ist, werden insbesondere bei Energieübertragung und Antriebsstrang signifikante Vereinfachungen in Kauf genommen. Bei ersterem wird zur Bestimmung des Fahrdrahtstroms eine konstante Fahrdrahtspannung verwendet, was für 15-kV-16,7-Hz-Systeme und, mit einigen Einschränkungen, 25-kV-50-Hz-Systeme zulässig ist – jedoch nicht für Gleichstromsysteme, bei denen die Fahrleitungsspannung stark von der aktuellen Betriebssituation abhängt. Auch die Beschreibung der Antriebskette als Wirkungsgradkaskade ist hinsichtlich Präzision begrenzt; für eine höhere Genauigkeit würden jedoch komplexe elektromagnetisch-mechanische Modelle benötigt, die für ein erstes Gesamtsystemmodell nicht realisierbar sind. Insgesamt ist die Definition und Umsetzung dieses umfassenden Modells erfolgreich, womit die Arbeit ein Ziel erreicht, das bereits in früheren Projekten wie Railenergy formuliert, jedoch nicht realisiert wurde. Mögliche Energiesparansätze werden zunächst aus der Literatur gesammelt. Die Anzahl der zugehörigen Veröffentlichungen ist so groß, dass eine vollständige Behandlung unmöglich ist – was sich in einer umfangreichen, trotzdem nicht umfassenden Literaturstudie äußert. Zudem wird das entwickelte Modell analysiert, um systemische Zusammenhänge und Sparpotentiale zu erkennen. Basierend auf diesen Ergebnissen werden verschiedene Ansätze in Fallstudien untersucht: Einbezug von Umwelteinflüssen in die Betriebsführung, Brems-Beschleunigungs-Synchronisation und Anwendungen von Energiespeichern bzw. Modifikationen des Versorgungssystems. Es zeigt sich, dass Teilsystemoptimierungen grundsätzlich einen positiven Effekt auf Primärenergieebene haben, solange sie korrekt ausgeführt werden – d. h. solange keine Nebenwirkungen der Umsetzung den Optimierungseffekt reduzieren oder gar zunichte machen (z. B. zusätzliches Gewicht vs. Wirkungsgradsteigerung). Im Hinblick auf systemische Potentiale werden nur wenige erfolgversprechende Ansätze gefunden; als wichtigste Maßnahme erweist sich die Vernetzung elektrischer Versorgungssysteme. Dann kann insbesondere regenerierte Bremsenergie in höherem Maße genutzt, aber auch die Übertragungsdistanzen können verkürzt und damit Verluste reduziert werden. Da dies inhärent in (den meisten) Wechselstromsystemen erfüllt ist, liefert diese Arbeit, die sich auf 15-kV-16,7-Hz-Systeme konzentriert, deutlich geringere Sparpotentiale als die meisten Veröffentlichungen, welche typischerweise DC-Metrosysteme thematisieren – die üblicherweise unidirektional gespeist sind. Darüber hinaus wird festgestellt, dass die bestgeeignete Maßnahme stark von der jeweiligen Situation abhängt; von der technisch-betrieblichen Ausprägung des Systems (AC, DC; Fernverkehr, S-Bahn, ...) zum einen, von der spezifischen Systemumsetzung zum andern. Die Zukunft der Energieforschung im Bahnbetrieb wird daher vor allem in der angewandten Forschung gesehen. Weiterhin ist zu beachten, dass Energiesparen im Widerspruch zu anderen relevanten Aspekten stehen kann, welche die Systemattraktivität in den Augen seiner Nutzer beeinflussen – Reisezeiten, Anschlüsse etc. Daher ist ein Gleichgewicht zwischen allen beteiligten Interessen anzustreben.