Energy efficient driving strategies in railway transport

The growing emphasis on energy efficiency in transport systems has placed railway operations at the center of sustainable mobility strategies. Despite the intrinsic advantages of electric traction, further reductions in energy consumption depend largely on optimised driving behaviour and efficient use of regenerative braking. This thesis presents a simulation-based study on the optimisation of train driving strategies and the evaluation of the influence of line altitude on overall energy performance. A dynamic model was developed in MATLAB/Simulink®, capable of reproducing the longitudinal motion of a train under realistic traction, braking, and gradient conditions. The model integrates physical, operational, and behavioural factors to quantify how variations in driving parameters affect energy consumption and travel time. A wide parametric campaign was carried out by varying traction, braking, and maximum speed coefficients, enabling the construction of the Pareto frontier between travel time and net energy consumption. The results highlight the existence of equilibrium configurations that achieve significant energy savings. In the second part, the model was extended to include the real altimetric profile of the Milan–Verona railway line. The analysis shows that altitude variations modify the net energy demand by a few percentage points, with reductions in the descending direction and increases in the ascending one. These effects, though moderate, significantly influence the operational margin available to the driver for energy saving.

L’attenzione crescente all’efficienza energetica nei sistemi di trasporto ha posto le operazioni ferroviarie al centro delle strategie di mobilità sostenibile. Nonostante i vantaggi intrinseci della trazione elettrica, ulteriori riduzioni dei consumi dipendono in larga misura da uno stile di guida ottimizzato e da un uso efficiente della frenata rigenerativa. Questa tesi presenta uno studio basato su simulazione riguardante l’ottimizzazione delle strategie di guida del treno e la valutazione dell’influenza dell’altimetria della linea sulle prestazioni energetiche complessive. È stato sviluppato in MATLAB/Simulink® un modello dinamico capace di riprodurre il moto longitudinale di un treno in condizioni realistiche di trazione, frenatura e pendenza. Il modello integra fattori fisici, operativi e comportamentali per quantificare come le variazioni dei parametri di guida influenzino il consumo energetico e il tempo di percorrenza. È stata condotta un’ampia campagna parametrica, variando i coefficienti di trazione, frenatura e velocità massima, che ha permesso di costruire la frontiera di Pareto tra tempo di viaggio ed energia netta consumata. I risultati evidenziano l’esistenza di configurazioni di equilibrio in grado di ottenere significativi risparmi energetici. Nella seconda parte, il modello è stato esteso includendo il profilo altimetrico reale della linea ferroviaria Milano–Verona. L’analisi mostra che le variazioni di quota modificano la domanda energetica netta di alcuni punti percentuali, con riduzioni nella direzione discendente e incrementi in quella ascendente. Questi effetti, sebbene moderati, influenzano in modo significativo il margine operativo a disposizione del macchinista per il risparmio energetico.