Geri Dön

Demiryolu taşımacılığında enerji verimliliği için enerji depolama sistemi teknolojilerinin analizi

Analysis of energy storage system technologies forenergy efficiency in rail transportation

PDF İndir

  1. Tez No: 931539
  2. Yazar: HASAN SAİM ÜNAL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Enerji, Ulaşım, Electrical and Electronics Engineering, Energy, Transportation
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 111

Özet

Bu tez, demiryolu taşımacılığında enerji verimliliğinin artırılmasına odaklanarak enerji depolama sistemi (ESS) teknolojilerinin derinlemesine bir analizini sunmaktadır. Küresel ulaşım altyapısının kritik bir bileşeni olan demiryolu taşımacılığı, enerji tüketimi, işletme maliyetleri ve çevresel etkilerle ilgili zorluklarla karşı karşıyadır. Gelişmiş enerji depolama sistemlerinin entegrasyonu, enerji verimliliğini artırarak ve emisyonları azaltarak bu zorluklara umut verici bir çözüm sunmaktadır. Çalışma, geleneksel raylı sistemlerin doğasında bulunan enerji talepleri ve verimlilik konularını vurgulayarak, demiryolu taşımacılığının mevcut durumunun kapsamlı bir incelemesiyle başlamaktadır. Daha sonra bataryalar, süper kapasitörler ve volanlar dahil olmak üzere çeşitli ESS teknolojilerini araştırarak ve enerji yoğunluğu, güç yoğunluğu, kullanım ömrü, maliyet ve çevresel etki gibi faktörlere dayalı olarak demiryolu uygulamalarına uygunluklarını değerlendirmektedir. ESS teknolojilerindeki önemli gelişmeler vurgulanarak enerji kullanımını optimize etmek için bunların raylı sistemlere nasıl entegre edilebileceği gösterilmektedir. Tez, demiryolu taşımacılığındaki başarılı ESS uygulamalarına ilişkin örnek olay incelemeleri sunarak, enerji tasarrufu ve operasyonel iyileştirmelere ilişkin gerçek dünyadan örnekler ortaya koymaktadır. Bu vaka çalışmaları, ESS teknolojilerini benimsemenin pratik yararları ve zorlukları hakkında değerli bilgiler sağlamaktadır. Ayrıca analiz, farklı ESS teknolojilerinin teknik ve ekonomik fizibiliteleri dikkate alınarak karşılaştırmalı bir değerlendirmesini de içermektedir. Bulgular, hiçbir ESS teknolojisinin evrensel olarak üstün olmadığını ancak bazı teknolojilerin belirli demiryolu uygulamaları için daha uygun olduğunu göstermektedir. Örneğin, bataryalar sık sık duraklanan kentsel raylı sistemlerde enerji depolamak için idealdir; volanlar ve süper kapasitörler ise hızlı enerji deşarjı ve yenilenmesi gerektiren yüksek hızlı demiryolu uygulamaları için daha uygundur. Tez aynı zamanda ESS teknolojilerinde gelecekteki gelişmelerin potansiyelini ve bunların demiryolu taşımacılığına etkilerini de ele almaktadır. Kendi güçlü yönlerini geliştirmek için birden fazla teknolojiyi birleştiren hibrit enerji depolama sistemleri gibi yeni ortaya çıkan trendleri ve ESS performansını artırmayı ve maliyetleri azaltmayı vaat eden malzeme bilimindeki ilerlemeleri tartışmaktadır. Sonuç olarak bu analiz, enerji depolama sistemlerinin demiryolu taşımacılığının verimliliğini ve sürdürülebilirliğini geliştirmedeki kritik rolünün altını çizmektedir. Demiryolu operatörleri, uygun ESS teknolojilerini dikkatli bir şekilde seçip entegre ederek önemli miktarda enerji tasarrufu sağlayabilir, işletme maliyetlerini düşürebilir ve çevrenin korunmasına katkıda bulunabilir. Bu tezde sunulan bulgular ve öneriler, ulaşım teknolojisinin bu hayati alanında gelecekteki araştırma ve geliştirmeler için bir yol haritası sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

Rail transportation is an essential component of modern infrastructure, facilitating the movement of goods and passengers efficiently. However, despite its advantages over road and air transport in terms of lower emissions and energy consumption per unit of transport, the rail sector still faces significant challenges related to energy efficiency, operational costs, and environmental impact. Addressing these issues has become increasingly critical in the context of rising energy prices, stricter environmental regulations, and the global push toward sustainability. One promising approach to improving the efficiency of rail transportation is the integration of advanced energy storage systems (ESS). These technologies have the potential to optimize energy use, reduce reliance on external power sources, and minimize carbon emissions. This thesis provides an in-depth analysis of various ESS technologies, their integration into rail systems, and the resulting benefits in terms of energy efficiency and sustainability. Rail systems, particularly electrified railways, rely on substantial amounts of energy to operate. A significant portion of this energy is lost due to inefficiencies in braking, acceleration, and idle periods. Traditional rail systems primarily rely on direct power supply through overhead lines or third rails, leading to fluctuations in energy demand and wastage. Furthermore, diesel-powered locomotives continue to contribute to greenhouse gas emissions and air pollution. Improving energy efficiency in rail transportation requires innovative solutions that address these issues. Energy storage technologies offer a way to capture and reuse energy that would otherwise be wasted, particularly through regenerative braking. This technique enables trains to recover kinetic energy during deceleration and store it for later use, reducing overall power consumption. Several ESS technologies have been developed and optimized for rail applications. This thesis explores three primary types: batteries, supercapacitors, and flywheels. Batteries, including lithium-ion and other chemistries, provide high energy density and relatively long storage durations, making them well-suited for urban rail systems with frequent stops where energy can be stored and reused for acceleration. Supercapacitors are known for their high power density and rapid charge-discharge cycles, making them effective in capturing regenerative braking energy in systems with short dwell times. Their longevity and efficiency make them particularly useful in metro and light rail applications. Flywheels store kinetic energy by spinning a rotor at high speeds and can deliver instantaneous power, making them ideal for high-speed rail and heavy freight applications where quick energy discharge is required. Each of these technologies has specific advantages and trade-offs concerning cost, efficiency, lifespan, and environmental impact. A comparative assessment of these factors is critical in determining the most suitable ESS for different rail applications. The effectiveness of ESS technologies has been demonstrated in various real-world rail projects. Several metro systems worldwide, including those in London, Tokyo, and Berlin, have successfully integrated energy storage solutions to improve efficiency and reduce operational costs. For example, the London Underground has implemented a regenerative braking system that stores excess energy and redistributes it across the network, leading to substantial energy savings. Similarly, the Tokyo Metro has employed supercapacitors to enhance braking energy recovery, improving overall efficiency while reducing wear and tear on braking systems. These case studies illustrate the tangible benefits of ESS technologies, including lower electricity consumption, reduced peak power demand, and extended infrastructure lifespan. However, challenges remain in terms of high initial investment costs, system integration complexities, and ongoing maintenance requirements. A critical component of this research is a comparative assessment of different ESS technologies based on key parameters such as energy and power density, lifespan and durability, cost-effectiveness, and environmental impact. Findings suggest that while no single ESS technology is universally superior, their suitability varies depending on application type. Batteries are ideal for urban rail networks due to their ability to store energy for extended periods and discharge it efficiently during acceleration. Supercapacitors excel in systems requiring frequent energy capture and rapid discharge, such as metro networks. Flywheels are better suited for high-speed rail and heavy freight operations where sudden bursts of power are needed. Hybrid energy storage systems, which combine two or more ESS technologies, are emerging as a promising solution to maximize performance by leveraging the strengths of different technologies. As energy storage technologies continue to evolve, several emerging trends are expected to shape the future of rail transportation. Hybrid energy storage systems (HESS) are gaining attention for their ability to optimize energy use by combining batteries, supercapacitors, and flywheels. Advancements in battery materials, such as solid-state batteries and other innovative chemistries, promise improved energy density, lifespan, and safety. Smart energy management systems incorporating artificial intelligence and IoT are being developed for real-time energy optimization and predictive maintenance. Additionally, grid integration and synergy with renewable energy sources, such as solar and wind, offer new possibilities for improving the sustainability of rail transportation. Despite the promising benefits of energy storage systems, their widespread adoption in rail transportation requires strategic planning, financial investment, and policy support. Governments and industry stakeholders must work together to establish regulatory frameworks, provide incentives for technology adoption, and encourage research and development in ESS innovations. Public-private partnerships can play a crucial role in overcoming the financial barriers associated with large-scale ESS implementation, ensuring that these technologies become a standard component of modern rail infrastructure. This thesis underscores the crucial role of ESS technologies in advancing energy efficiency and sustainability in rail transportation. Through a thorough analysis of various storage systems, comparative assessments, and real-world case studies, it has been demonstrated that the integration of ESS can lead to significant energy savings, reduced operational costs, and environmental benefits. While challenges such as cost and system integration remain, the continuous advancement of ESS technologies and their hybrid applications provide promising opportunities for future enhancements. Rail operators, policymakers, and researchers must work together to develop and implement strategies that maximize the benefits of ESS in transportation systems, paving the way for a more sustainable and efficient rail industry.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    784008

    Demiryolu araçlarında enerji verimliliğini arttırmak için optimum yalıtım kalınlığının nümerik olarak incelenmesi

    Numerical investigation of optimum insulation thickness to increase energy efficiency in railway vehicles

    MUSTAFA DÖNMEZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiEskişehir Teknik Üniversitesi

    Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET METE ÖZTÜRK

    DOÇ. DR. BAHADIR DOĞAN

  2. Tez No

    596143

    An alternative fuel assessment model for ships and experiments on the effect of methanol on diesel engines

    Gemiler için bir alternatif yakıt değerlendirme modeli ve metanolün dizel motorlarda etkileri üzerine deneysel çalışma

    BURAK ZİNCİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CENGİZ DENİZ

  3. Tez No

    553988

    Analysis of energy efficiency by coasting application on ertms/etcs fitted railway lines that have different gradient profiles and maximum operating speed

    Farklı eğim profillerine ve maksimum hız işletmesine sahip ertms/etcs donanımlı demiryolu hatlarında treni boşa alma uygulaması ile enerji verimliliği analizi

    EMRE BÜYÜKAKINCAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesi

    Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ

  4. Tez No

    541880

    Concept and construction design of a freight wagon bogie frame with variable axle distance

    Değiştirilebilir aks açıklığı olan bir yük vagonu boji karkası konsept ve taşıyıcı konstrüksiyon tasarımı

    VOLKAN İGDE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU

  5. Tez No

    406540

    Planning of train movements in single track railways

    Tek hatlı demiryollarında tren hareketlerinin planlanması

    GÖKÇE AYDIN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    UlaşımYıldız Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İSMAİL ŞAHİN

Geri Dön