Renewable energy integration in railway traction systems: technologies, architectures, and system-level assessment

Integration of renewable energy sources into railway systems is an essential pathway to decarbonization and improvement of system reliability, yet current research is fragmented by technology type and scale. The research addresses on four aspects: (i) which technologies are available and how they perform on railway assets; (ii) how these technologies map onto large, medium and low power applications; (iii) which power-integration architectures are most suitable for coupling them to traction systems; and (iv) what system-level picture emerges when the corridor is considered as a whole. For answering, the research presents a classification of renewable and energy-harvesting alternatives for rail applications and assesses them using normalized performance indicators such as W/m², W/kg, and mW per harvester. Following, four primary integration architectures (direct DC coupling, AC feeder/substation-level integration, hybrid multi-port nodes, and microgrid-based schemes) are analysed and compared via suitability mapping and multi-criteria evaluation. The results indicate that photovoltaics and regenerative braking are structurally the best options for high-energy, grid-connected applications, whereas wind, piezoelectric, triboelectric, thermoelectric, and electromagnetic harvesters are more suited for distributed, low-maintenance powering of monitoring and communication nodes, with environmental robustness, maintenance requirements, and evidence quality varying significantly across technologies and contexts. Overall, the analysis reveals that no singular technology and design provide a universally optimal solution; instead, integrated configurations that combine PV assets, storage, small-scale harvesters, and hybrid power-conditioning nodes represent the most flexible strategy for modern electrified railways. Additionally, it identifies critical system constraints, evidence gaps, and future research directions toward multi-energy, corridor-level architectures.

L'integrazione delle fonti di energia rinnovabile nei sistemi ferroviari è una via fondamentale per la decarbonizzazione e il miglioramento dell'affidabilità del sistema, tuttavia, la ricerca attuale è frammentata in base al tipo di tecnologia e alla scala. La ricerca si concentra su quattro aspetti: (i) quali tecnologie sono disponibili e come si comportano sugli impianti ferroviari; (ii) come queste tecnologie si applicano a impieghi ad alta, media e bassa potenza; (iii) quali architetture di integrazione della potenza sono più adatte per collegarle ai sistemi di trazione; e (iv) quale quadro a livello di sistema emerge quando il corridoio viene considerato nel suo insieme. Per rispondere a queste domande, la ricerca presenta una tassonomia delle alternative rinnovabili e di raccolta di energia per le applicazioni ferroviarie e le valuta utilizzando indicatori di prestazione normalizzati come W/m², W/kg e mW per generatore. Successivamente, vengono analizzate e confrontate quattro principali architetture di integrazione (accoppiamento diretto in corrente continua, integrazione a livello di alimentazione/substazione in corrente alternata, nodi ibridi multiporta e schemi basati su microreti) mediante mappatura di idoneità e valutazione multi-criterio. I risultati indicano che i pannelli fotovoltaici e la frenata rigenerativa sono strutturalmente le migliori opzioni per applicazioni ad alta energia, connesse alla rete, mentre gli impianti eolici, piezoelettrici, triboelettrici, termoelettrici ed elettromagnetici sono più adatti per alimentare in modo distribuito e a bassa manutenzione i nodi di monitoraggio e comunicazione, con robustezza ambientale, requisiti di manutenzione e qualità delle evidenze che variano significativamente tra le tecnologie e i contesti. In generale, l'analisi rivela che nessuna tecnologia e design singoli forniscono una soluzione universale ottimale; piuttosto, le configurazioni integrate che combinano impianti fotovoltaici, stoccaggio, raccoglitori di energia su piccola scala e nodi di condizionamento ibrido della potenza rappresentano la strategia più flessibile per le ferrovie elettrificate moderne. Inoltre, vengono identificati vincoli critici del sistema, lacune nelle evidenze e direzioni di ricerca future verso architetture multi-energia a livello di corridoio.