Optimization techniques and energy management strategies for hybrid fuel cell locomotives: a comprehensive review and analysis

The growing environmental concerns and stringent emission regulations have necessitated the development of sustainable alternatives to traditional diesel-electric locomotives. Hydrogen fuel cell hybrid locomotives have emerged as a promising solution to reduce greenhouse gas emissions and enhance the efficiency of rail transportation. This thesis focuses on the optimization techniques and energy management strategies for hybrid fuel cell locomotives, particularly those utilizing Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) integrated with advanced energy storage systems such as batteries and supercapacitors. The primary objectives of this research include evaluating the potential of hydrogen fuel cell technology in hybrid locomotives, developing advanced energy management strategies, optimizing system components, and assessing the economic and environmental benefits of this technology. The study employs a combination of rule-based and optimization-based strategies, including Dynamic Programming (DP), Model Predictive Control (MPC), and Pontryagin’s Minimum Principle (PMP), to achieve optimal performance in hybrid propulsion systems. Additionally, component sizing optimization using algorithms such as Genetic Algorithm (GA) and Particle Swarm Optimization (PSO) is explored to enhance the overall efficiency and cost-effectiveness of the system. Through comparative analyses and simulation-based evaluations, the research demonstrates that hydrogen fuel cell hybrid locomotives significantly reduce emissions and improve operational efficiency compared to conventional diesel-electric and battery-electric alternatives. The integration of advanced energy management strategies leads to improved energy distribution and enhanced system performance under varying operational conditions. The findings also highlight the critical success factors for implementing hydrogen-powered locomotives, including the need for robust hydrogen production, storage infrastructure, and cost-effective fuel cell technologies. This thesis contributes to the advancement of sustainable rail transportation by providing practical insights into the optimization of hybrid fuel cell systems and offering a viable framework for their deployment in regional and freight rail applications. The proposed strategies and methodologies support the transition towards greener rail networks, aligning with global initiatives to reduce carbon emissions and promote clean energy solutions.

Le crescenti preoccupazioni ambientali e le rigorose normative sulle emissioni hanno reso necessaria lo sviluppo di alternative sostenibili ai tradizionali locomotori diesel-elettrici. I locomotori ibridi a celle a combustibile a idrogeno sono emersi come una soluzione promettente per ridurre le emissioni di gas serra e migliorare l'efficienza del trasporto ferroviario. Questa tesi si concentra sulle tecniche di ottimizzazione e sulle strategie di gestione dell'energia per i locomotori ibridi a celle a combustibile, in particolare quelli che utilizzano celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) integrate con avanzati sistemi di accumulo di energia come batterie e supercondensatori. Gli obiettivi principali di questa ricerca includono la valutazione del potenziale della tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno nei locomotori ibridi, lo sviluppo di strategie avanzate di gestione dell'energia, l'ottimizzazione dei componenti del sistema e la valutazione dei benefici economici e ambientali di questa tecnologia. Lo studio impiega una combinazione di strategie basate su regole e ottimizzazione, inclusi Programmazione Dinamica (DP), Controllo Predittivo del Modello (MPC) e Principio del Minimo di Pontryagin (PMP), per ottenere prestazioni ottimali nei sistemi di propulsione ibrida. Inoltre, l'ottimizzazione delle dimensioni dei componenti tramite algoritmi come l'Algoritmo Genetico (GA) e l'Ottimizzazione per Sciame di Particelle (PSO) viene esplorata per migliorare l'efficienza complessiva e la convenienza economica del sistema. Attraverso analisi comparative e valutazioni basate su simulazioni, la ricerca dimostra che i locomotori ibridi a celle a combustibile a idrogeno riducono significativamente le emissioni e migliorano l'efficienza operativa rispetto alle alternative convenzionali diesel-elettriche ed elettriche a batteria. L'integrazione di strategie avanzate di gestione dell'energia porta a un miglioramento della distribuzione dell'energia e delle prestazioni del sistema in condizioni operative variabili. I risultati evidenziano anche i fattori critici di successo per l'implementazione dei locomotori a idrogeno, inclusa la necessità di un'infrastruttura solida per la produzione e lo stoccaggio dell'idrogeno e di tecnologie a celle a combustibile economicamente vantaggiose. Questa tesi contribuisce all'avanzamento del trasporto ferroviario sostenibile fornendo approfondimenti pratici sull'ottimizzazione dei sistemi ibridi a celle a combustibile e offrendo un quadro praticabile per la loro implementazione nelle applicazioni ferroviarie regionali e merci. Le strategie e le metodologie proposte supportano la transizione verso reti ferroviarie più ecologiche, in linea con le iniziative globali per ridurre le emissioni di carbonio e promuovere soluzioni energetiche pulite.