Sustainable rail transportation with fuel-cell hybrid locomotive

Railway transportation plays a vital role in industrial development and global logistics, but the reliance on diesel-electric locomotives contributes significantly to environmental pollution and carbon emissions. This thesis explores the integration of hydrogen fuel cells and hybrid energy storage systems as sustainable alternatives to conventional diesel-electric locomotives. Hydrogen fuel cells, known for their zero-emission characteristics, offer a promising solution to decarbonize rail transport while maintaining operational performance. The research focuses on the design, feasibility, and performance evaluation of fuel cell hybrid locomotives, addressing critical technical challenges such as hydrogen storage, refueling infrastructure, and system integration. This work analyzes hybrid configurations—series, parallel, and series-parallel systems—to identify optimal energy management strategies that enhance performance and efficiency. Advanced simulations and modeling tools are employed to evaluate energy consumption, range, and emission reductions compared to traditional diesel-electric systems. The findings highlight the significant environmental benefits of hydrogen-powered locomotives, including reductions in CO₂, NOx, and particulate matter emissions. The study further demonstrates that hybrid systems leveraging regenerative braking and energy storage technologies can improve energy efficiency while overcoming the limitations of standalone fuel cell systems. Key challenges, such as infrastructure readiness, are discussed alongside recommendations for implementing hydrogen fuel cell technology in rail networks. In conclusion, this thesis establishes the technical viability and environmental advantages of fuel cell hybrid locomotives, offering a pathway to cleaner and more sustainable railway transportation. Future work is recommended to address economic feasibility and large-scale infrastructure deployment to facilitate the widespread adoption of this technology. Keywords: Hydrogen fuel cells, Hybrid locomotives, Rail transportation, Energy storage systems, Environmental sustainability, Decarbonization, Regenerative braking.

Il trasporto ferroviario svolge un ruolo fondamentale nello sviluppo industriale e nella logistica globale, ma la dipendenza dalle locomotive diesel-elettriche contribuisce significativamente all'inquinamento ambientale e alle emissioni di carbonio. Questa tesi esplora l'integrazione di celle a combustibile a idrogeno e sistemi di accumulo di energia ibridi come alternative sostenibili alle locomotive diesel-elettriche convenzionali. Le celle a combustibile a idrogeno, note per le loro caratteristiche a zero emissioni, offrono una soluzione promettente per decarbonizzare il trasporto ferroviario mantenendo le prestazioni operative. La ricerca si concentra sulla progettazione, fattibilità e valutazione delle prestazioni delle locomotive ibride a celle a combustibile, affrontando sfide tecniche critiche come lo stoccaggio dell'idrogeno, le infrastrutture di rifornimento e l'integrazione dei sistemi. Questo lavoro analizza configurazioni ibride — serie, parallele e serie-parallele — per identificare strategie ottimali di gestione dell'energia che migliorino le prestazioni e l'efficienza. Strumenti avanzati di simulazione e modellazione sono impiegati per valutare il consumo energetico, l'autonomia e la riduzione delle emissioni rispetto ai sistemi diesel-elettrici tradizionali. I risultati evidenziano i significativi benefici ambientali delle locomotive alimentate a idrogeno, inclusa la riduzione delle emissioni di CO₂, NOx e particolato. Lo studio dimostra inoltre che i sistemi ibridi che sfruttano la frenata rigenerativa e le tecnologie di accumulo di energia possono migliorare l'efficienza energetica superando le limitazioni dei sistemi a celle a combustibile standalone. Le principali sfide, come la prontezza infrastrutturale, sono discusse insieme a raccomandazioni per l'implementazione della tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno nelle reti ferroviarie. In conclusione, questa tesi stabilisce la fattibilità tecnica e i vantaggi ambientali delle locomotive ibride a celle a combustibile, offrendo un percorso verso un trasporto ferroviario più pulito e sostenibile. Si raccomanda un lavoro futuro per affrontare la fattibilità economica e la distribuzione su larga scala delle infrastrutture per facilitare l'adozione diffusa di questa tecnologia. Parole chiave: Celle a combustibile a idrogeno, Locomotive ibride, Trasporto ferroviario, Sistemi di accumulo di energia, Sostenibilità ambientale, Decarbonizzazione, Frenata rigenerativa.