Towards DC smart grid : integration of renewable energy sources, energy storages and electric vehicle charging stations into DC railway power systems

This thesis for the Master's Degree in Energy Engineering focuses on how smart mobility, one of the key points of the new European Union Directives, and renewables can be integrated into the railway transportation system so to create a sort of "DC Railway Smart Grid" whereby the braking power of trains - that could be wasted - is recovered by supplying electric car batteries parked in the proximity of the railway stations. Moreover, electric storage systems and photovoltaic generators connected to the same DC railway smart grid allow to increase the penetration of renewables in an energy-intensive sector, such as transportation, and to improve the power quality within the railway electrical system. The idea of recovering the braking energy of trains to recharge electric vehicles can be successful along railway lines traveled by local or suburban trains, whose service includes many stops, and used by commuters who reach the stations with their own car. In this work the Milano Cadorna – Saronno railway line has been identified to have the aforementioned features and it has been taken and a benchmark to study the proposed solutions. In particular, the section between the two electrical substations located in Novate and in Saronno of the Cadorna (Milan) – Saronno railway is simulated in the different scenarios. The thesis is organized as follows: An Introduction to highlights the main objectives of this work and to provide an overview of the European railway transportation system. A first chapter to describe the State of the Art of the involved technologies. It describes the railway electrical system and considers the trains that run on it. Then, it firstly focuses on the electric cars and later on the battery storage and the photovoltaic systems which may be additionally introduced in the grid. The second chapter describes the Methodology of how all the systems studied were modeled using MATLAB and SIMULINK and how they are connected to the network itself. The third chapter, Simulations, presents the different DC railway smart grid configurations proposed and the results obtained. The work ends with the conclusions.

Questa tesi di Laurea Magistrale in Ingegneria Energetica investiga come una mobilità smart, uno dei punti chiave delle nuove Direttive dell’Unione Europea, e le rinnovabili possano integrarsi al sistema ferroviario con lo scopo di sfruttare la potenza in frenata dei treni stessi, che altrimenti potrebbe perdersi, e creare una sorta di “DC Railway Smart Grid” alimentando parcheggi di auto elettriche, inoltre un sistema di accumulo elettrico e generazione con il fotovoltaico connessi alla stessa DC Railway Smart Grid permetterebbe di aumentare la penetrazione di rinnovabili in un settore energy-intensive, come quello dei trasporti, a migliorare la power quality all’interno dell’intero sistema ferroviario. L'idea di recuperare l'energia frenante dei treni per ricaricare i veicoli elettrici può avere successo lungo le linee ferroviarie percorse da treni locali o extraurbani, il cui servizio prevede numerose fermate, e utilizzate dai pendolari che raggiungono le stazioni con la propria auto. Questo lavoro riguarda specificamente il settore ferroviario tra le due cabine elettriche situate a Novate e a Saronno della ferrovia Cadorna (Milano) – Saronno ed è simulato in scenari diversi. La tesi è strutturata come segue: Un'introduzione per evidenziare i principali obiettivi di questo lavoro e fornire una panoramica del sistema di trasporto ferroviario europeo. Un primo capitolo per descrivere lo Stato dell’Arte delle tecnologie coinvolte partendo dalla ferrovia stessa studiata per poi passare ai treni che la percorrono, si presenterà il funzionamento delle colonne di ricarica per auto elettriche per poi spiegare il sistema di accumulo introdotto e infine il sistema fotovoltaico, tutte infrastrutture che possono essere introdotte all’interno della rete. Il secondo capitolo che andrà a spiegare la Metodologia di come tutti i sistemi studiati siano stati modellati tramite MATLAB e SIMULINK e di come si siano collegati alla rete stessa. Il terzo capitolo, Simulazioni, per presentare le varie configurazioni della DC railway smart grid e i risultati ottenuti. Il lavoro finisce con le conclusioni.