Battery hybrid train : modelling and simulation on non-electrified Italian railway, infrastructure improvements design and energy-based speed profile optimization

This thesis will provide a study about the use of Battery Hybrid trains on Italian Railway. A virtual train will be designed starting from Blues hybrid train by Hitachi Rail. To perform it, Blues ICE components will be substituted with a battery package and a set of DC/DC converters. Furthermore, a simulation of the train behavior is provided. The routes on which the virtual train runs are the non electrified railways of Lombardy, Tuscany, Calabria and Abruzzo. Two different solutions are given to replace Diesel trains with Blues. The first one is defining the minimum battery configuration to make the train travel the route without recharging in intermediate stations. The second one is made defining and applying optimal criteria to install recharge facilities along the route, using a default battery configuration. About this latter, the timetables of Trenitalia will be rescheduled taking into account the recharging time. Finally, the last part of the thesis is dedicated on generating the optimal speed profile which minimizes the energy consumption, using a Dynamic Programming algorithm. The obtained results will be then analysed and compared with respect to the previous simulations. This part will only concern the route “Reggio Calabria Centrale-Sibari”.

Questa tesi ha lo scopo di fornire uno studio di fattibilità sull’utilizzo dei treni ibridi a batteria sulle Ferrovie Italiane. La progettazione del treno verrà effettuata a partire dal treno Blues prodotto dall’azienda Hitachi Rail. Per fare ciò, le componenti termiche del suddetto treno verranno sostituite con un set di batterie e convertitori. Per quanto concerne le tratte in cui sarà simulato il comportamento del treno, verranno sfruttate le linee non elettrificate di Lombardia, Toscana, Calabria ed Abruzzo. Verranno fornite due soluzioni che permetteranno al treno di completare il percorso di andata e ritorno di ogni tratta. Nella prima verrà definita la configurazione minima di batterie per portare a termine il viaggio senza ricariche intermedie. Nella seconda soluzione, invece, verranno descritti e applicati i criteri ottimali di posizionamento delle stazioni di ricarica, utilizzando una data configurazione di batterie. In quest’ultima soluzione verranno poi riportate le tabelle degli orari di Trenitalia arricchite con le modifiche necessarie per effettuare le ricariche. Infine, verranno calcolati i profili di velocità che minimizzano il consumo di energia. L’ottimizzazione è compiuta attraverso l’implementazione di un algoritmo basato sul “Dynamic Programming”, i cui risultati saranno discussi e confrontati con quelli ottenuti precedentemente. Quest’ultima parte di ottimizzazione farà riferimento alla sola tratta ferroviaria “Reggio Calabria Centrale-Sibari”.