Multi-objective energy management of a smart railway hub considering battery degradation and Co2 emissions

Urban rail systems are increasingly required to reduce energy consumption, operational costs, and CO2 emissions while integrating renewable generation, storage, and electric mobility. Conventional energy management systems mainly minimize the electricity bill and often neglect hidden long-term costs, especially battery degradation and carbon emissions. This thesis develops a sustainable and asset-aware energy management system for a smart railway hub, using San Donato Metro Station in Milan, Italy, as a case study. The proposed framework extends a cost-driven EMS by including battery degradation cost and CO2 emission cost together with electricity transaction cost. The system includes railway traction demand, station auxiliary load, regenerative braking energy, photovoltaic generation, stationary energy storage, EV charging and V2G operation, electric bus charging demand, and grid import/export. The optimization problem is formulated as a mixed-integer linear programming model over a daily horizon with 15-minute resolution. The comparison between the cost-driven EMS and the proposed sustainable and assetaware EMS shows that minimizing only the electricity bill can cause excessive battery cycling and higher hidden operational costs. By internalizing degradation and emission costs, the proposed EMS provides a more balanced strategy that improves long-term battery preservation and sustainability. The state-of-health projection confirms that degradation-aware operation can extend the useful lifetime of both stationary and EV batteries. Pareto analyses confirm that electricity cost, battery degradation, and CO2 emissions are conflicting objectives. Therefore, the best operating strategy is not necessarily the one with the lowest electricity bill, but the one that balances economic performance, battery lifetime, and environmental sustainability.

I sistemi ferroviari urbani sono sempre più chiamati a ridurre il consumo energetico, i costi operativi e le emissioni di CO2, integrando al tempo stesso generazione rinnovabile, sistemi di accumulo e mobilità elettrica. I sistemi convenzionali di gestione dell’energia mirano principalmente alla minimizzazione della bolletta elettrica e spesso trascurano i costi nascosti di lungo periodo, in particolare il degrado delle batterie e le emissioni di carbonio. Questa tesi sviluppa un sistema di gestione dell’energia sostenibile e asset-aware per uno smart railway hub, utilizzando la stazione metropolitana di San Donato a Milano, Italia, come caso studio. Il framework proposto estende un EMS orientato alla minimizzazione dei costi includendo il costo di degrado delle batterie e il costo delle emissioni di CO2, insieme al costo delle transazioni elettriche. Il sistema comprende la domanda di trazione ferroviaria, il carico ausiliario della stazione, l’energia da frenatura rigenerativa, la generazione fotovoltaica, il sistema di accumulo stazionario, la ricarica dei veicoli elettrici e il funzionamento V2G, la domanda di ricarica degli autobus elettrici e l’importazione/esportazione dalla rete. Il problema di ottimizzazione è formulato come un modello di programmazione lineare intera mista su un orizzonte giornaliero con risoluzione di 15 minuti. Il confronto tra l’EMS orientato ai costi e l’EMS sostenibile e asset-aware proposto mostra che minimizzare solo la bolletta elettrica può causare un ciclo eccessivo delle batterie e maggiori costi operativi nascosti. Internalizzando i costi di degrado e di emissione, l’EMS proposto fornisce una strategia più bilanciata, migliorando la conservazione delle batterie nel lungo periodo e la sostenibilità. La proiezione dello stato di salute conferma che una gestione attenta al degrado può estendere la vita utile sia delle batterie stazionarie sia delle batterie dei veicoli elettrici. Le analisi di Pareto confermano inoltre che il costo dell’elettricità, il degrado delle batterie e le emissioni di CO2 sono obiettivi in conflitto. Pertanto, la migliore strategia operativa non è necessariamente quella con la bolletta elettrica più bassa, ma quella che bilancia prestazioni economiche, vita utile delle batterie e sostenibilità ambientale.