Yakıt hücresi-batarya hibrit yüksek hızlı trenler için yaşlanmayı dikkate alan enerji yönetimi ve boyutlandırma optimizasyonu
Degradation-aware energy management and sizing optimization for fuel cell-battery hybrid high speed trains
- Tez No: 1024240
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ RIFAT BOYNUEĞRİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Demiryolu taşımacılığının karbonsuzlaştırılması, fosil yakıt bağımlılığını azaltabilen ve operasyonel verimliliği artırabilen enerji açısından verimli itki teknolojilerini gerektirmektedir. Hidrojen yakıt hücresi (FC) ve batarya hibrit güç sistemleri, özellikle tam elektrifikasyonun ekonomik veya teknik olarak zor olduğu hatlar için en güçlü alternatiflerden biri olarak öne çıkmaktadır. Ancak, enerji verimliliği, bileşen yaşlanması ve sistem maliyetleri arasındaki karmaşık etkileşim nedeniyle bu sistemlerin optimum boyutlandırılması ve koordineli işletimi kritik bir mühendislik problemi teşkil etmektedir. Bu tez çalışmasında, Türkiye'de yapımı devam eden Bursa–Osmaneli yüksek hızlı tren hattının gerçek operasyonel verileri (gradyan, kurp, tünel, hız kısıtlamaları vb.) kullanılarak, hibrit bir yüksek hızlı tren setinin enerji yönetim stratejisi ve bileşen boyutlandırması için yaşlanma farkındalıklı bir optimizasyon modeli geliştirilmiştir. Çalışmada, aracın boylamsal dinamikleri Davis denklemi tabanlı bir yaklaşımla modellenmiş ve problem, Karışık Tam Sayılı Doğrusal Programlama (MILP) yöntemi kullanılarak GAMS/CPLEX ortamında çözülmüştür. Tez kapsamında oluşturulan yedi farklı senaryo; batarya modül sayısı, hidrojen birim fiyatı ve yakıt hücresi maliyetlerinin toplam yaşam döngüsü maliyeti (LCC) üzerindeki etkilerini sistematik olarak incelemiştir. Elde edilen bulgular, batarya kapasitesinin artırılmasının sistem performansı ve ekonomisi üzerinde radikal iyileşmeler sağladığını kanıtlamıştır. Batarya modül sayısının 200'den 300'e çıkarılması (Senaryo 1-3), gerekli yakıt hücresi birim sayısını 31'den 18'e düşürmüş ve toplam sistem maliyetini 1122 Milyon USD'den 564,8 Milyon USD'ye (%49,7 tasarruf) geriletmiştir. Ayrıca, batarya boyutunun artması yakıt hücresi üzerindeki elektriksel stresi minimize ederek, FC yaşlanma maliyetini yaklaşık 427 Milyon USD'den 96 Milyon USD seviyelerine çekmiştir. Çalışmanın makroskobik analizi, önerilen hibrit sistemin geleneksel dizel-elektrikli sistemlere göre çok daha düşük işletme maliyeti sunduğunu ve yüksek altyapı maliyetli tam elektrifikasyon projelerine karşı rekabetçi bir alternatif olduğunu göstermiştir. Sonuç olarak, bu çalışma, hidrojen teknolojilerinin yüksek hızlı raylı sistemlerde uygulanabilirliği için teknik ve ekonomik bir yol haritası sunmakta ve sıfır emisyonlu ulaşım hedefleri için optimize edilmiş bir boyutlandırma stratejisi ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
The decarbonization of railway transportation necessitates energy-efficient propulsion technologies capable of reducing fossil fuel dependence and improving operational efficiency. Hydrogen fuel cell (FC)-battery hybrid powertrains have emerged as a promising alternative for non-electrified or difficult-to-electrify high-speed railway lines. However, the optimal sizing and coordinated operation of these hybrid energy sources remain a challenging engineering problem due to the strong interrelation between energy efficiency, component degradation, and overall system cost. In this dissertation, a degradation-aware mixed-integer linear programming (MILP) framework is developed for the optimal sizing and energy management of a FC-battery hybrid high-speed train, based on the real-world operational data of the ongoing Bursa–Osmaneli rail project in Türkiye. The model incorporates real gradient, curve, tunnel, and speed restriction profiles to modify FC and battery dimensions while ensuring operational feasibility. The integrated model, combining Davis-based longitudinal dynamics, hybrid power balance, and state-of-health evolution, is solved using the CPLEX solver in the GAMS environment. Seven different scenarios were defined to systematically evaluate the impact of key design and economic parameters, including battery count, hydrogen unit price, and fuel cell costs. The results quantitatively demonstrate that increasing the battery capacity significantly enhances both technical performance and economic feasibility. Specifically, increasing the battery module number from 200 to 300 (Scenarios 1–3) reduces the required number of FC units from 31 to 18 and decreases the total life-cycle cost from 1122 Million USD to 564,8 Million USD (a reduction of approximately 49,7%). Furthermore, larger battery storage effectively buffers the peak power demands, reducing the FC degradation cost from 427 Million USD to approximately 96 Million USD. Benchmark evaluations against conventional diesel-electric and full grid-electrification standards indicate that the proposed optimized hydrogen-battery configuration achieves a highly competitive operational profile. While avoiding the prohibitive upfront infrastructure costs of full electrification, the hybrid system represents a practical and cost-effective bridge for decarbonizing high-speed rail on challenging corridors. Ultimately, this study provides a robust optimization strategy for the next generation of zero-emission heavy-duty rail transport, aligning with global sustainability targets.
Benzer Tezler
- İnsansız hava araçları için batarya-yakıt hücresi hibrit enerji yönetim sisteminin geliştirilmesi
Development of a battery-fuel cell hybrid energy management system for unmanned aerial vehicles
BARAN KUL
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Energy management system of hybrid fuel cell/battery system under low-temperature conditions
Düşük sıcaklık koşullarında hibrit yakıt hücresi/batarya sisteminin enerji yönetim sistemi
BAŞAK GÖK
Doktora
İngilizce
2026
Makine MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RECEP ÖNLER
- Optimized power control strategy for a proton exchange membrane fuel cell system
Proton değişim membranlı yakıt hücresi sistemi için optimize edilmiş güç kontrol stratejisi
ÖMER BURAK SARIÇAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Otomotiv Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
- Gemilerde hibrit tahrik sisteminin modellenmesi
Modeling of hybrid propulsion systems in ships
ŞÜKRÜ ONUR BAŞODA
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiGiresun ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ADATEPE
DOÇ. DR. EGEMEN SULUKAN
- Hibrit güç aktarımlı insansız hava aracının matlab/simulink modeli ve enerji yönetimi
Matlab/simulink modeling and energy management of a hybrid powered unmanned aerial vehicle
AYSEL GÖKÇEBUZHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Havacılık ve Uzay MühendisliğiFırat ÜniversitesiHavacılık Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BUĞRA YILMAZ