Analysis of Battery Energy Storage Systems (BESS) and supercapacitors for energy recovery in electric railway systems

Decarbonisation of the European railway industry needs to be done with systematic energy efficiency gains, regeneration brakes and renewable energy sources. The paper is a technical evaluation of the energy recovery of regenerative braking in DC railway systems with specific mention of 3 kV DC networks. It is built up to an analytical engineering model through the principle of kinetic energy, and the Davis resistance equation, and a model of efficiency cascade that considers the losses of motor-generator, inverter, DC-DC converter, and grid receptivity. The methodology measures theoretical braking energy, realistic recoverable energy and finds out the limiting contribution of grid receptivity in traditional diode-rectifier substations. Findings reveal that despite the high component efficiencies (above 90 percent) and total recovery can be limited to almost 50-60 percent due to low receptivity. Added to this is the integration of energy storage systems (ESS) and especially battery energy storage systems (BESS) and hybrid configurations of the battery and supercapacitors which so much enhances the effective energy capture. Other than onboard recovery, the study is an evaluation of system level benefits such as peak shaving and renewable energy integration. Quantitative analysis indicates that BESS can be used to save 20-35 percent of the peak demand at the substation which results in significant savings of demand charges and better stability of the voltage. Moreover, when regenerative braking is combined with solar photovoltaic and wind energy integration, grid flexibility is better and could cause a decrease in net traction energy use by as much as 40 percent, based on network attributes and renewable coverage. The results show that energy storage is an important enabling technology that enhances the grid receptivity, operational efficiency, and railway decarbonisation goals. Finally, the suggested analytical framework will offer a clear and scalable approach to the evaluation of technical feasibility without using sophisticated simulations.

La decarbonizzazione dell'industria ferroviaria europea deve essere realizzata attraverso sistematici incrementi di efficienza energetica, l'impiego della frenatura a recupero e l'integrazione di fonti di energia rinnovabile. Questo elaborato presenta una valutazione tecnica del recupero di energia derivante dalla frenatura rigenerativa nei sistemi ferroviari in corrente continua (DC), con particolare riferimento alle reti a 3 kV DC. Lo studio sviluppa un modello ingegneristico analitico basato sul principio dell'energia cinetica, sull'equazione della resistenza di Davis e su un modello a cascata di rendimento che considera le perdite del gruppo motore-generatore, dell'inverter, del convertitore DC-DC e la recettività della rete. La metodologia quantifica l'energia di frenatura teorica e l'energia realisticamente recuperabile, individuando il contributo limitante della recettività della rete nelle tradizionali sottostazioni a diodi raddrizzatori. I risultati rivelano che, nonostante le elevate efficienze dei singoli componenti (superiori al 90%), il recupero totale può essere limitato a circa il 50-60% a causa della bassa recettività dell'infrastruttura. A fronte di tale problematica, l'integrazione di sistemi di accumulo di energia (ESS), in particolare i sistemi di accumulo a batterie (BESS) e le configurazioni ibride composte da batterie e supercondensatori, migliora in modo significativo l'effettiva cattura dell'energia. Oltre al recupero a bordo veicolo, lo studio valuta i vantaggi a livello di infrastruttura, come il peak shaving (livellamento dei picchi di carico) e l'integrazione delle energie rinnovabili. L'analisi quantitativa indica che l'impiego dei sistemi BESS può ridurre il picco di domanda presso la sottostazione del 20-35%, traducendosi in significativi risparmi sui costi di potenza impegnata e in una maggiore stabilità della tensione. Inoltre, combinando la frenatura a recupero con l'integrazione di energia solare fotovoltaica ed eolica, la flessibilità della rete migliora notevolmente, portando a una potenziale riduzione del consumo netto di energia per la trazione fino al 40%, a seconda delle caratteristiche della rete e della copertura rinnovabile. I risultati dimostrano che l'accumulo di energia è un'importante tecnologia abilitante che ottimizza la recettività della rete, l'efficienza operativa e il raggiungimento degli obiettivi di decarbonizzazione ferroviaria. Infine, il quadro analitico proposto offre un approccio chiaro e scalabile per la valutazione della fattibilità tecnica, senza la necessità di ricorrere a complesse simulazioni numeriche.