Energy Usage of Smart Wayside Object Controllers : An investigation and theoretical implementation of feasible energy storage and energy harvesting technologies in connection to a railway system

With climate change threatening life, countries worldwide have united to limit the damages generated by humanity to the world. For a sustainable future, it will be essential to utilise energy in more ecient ways. Energy harvesting in the form of renewable resources and innovative solutions for industries are some answers to an improved tomorrow. The net-zero greenhouse emission target by 2045 in Sweden puts pressure on the energy-demanding sectors to nd intelligent new ways to support their processes. For the railway industry, this results in digitalisation and new smart systems to optimise the railway operations to create an updated, more competitive and resource-ecient transport system in Sweden and Europe. This master thesis work is developed through a European research program to investigate the energy usage for wayside objects. In order to analyse these subjects, two primary objectives were decided. The first main objective was to distinguish and create an energy system in connection to the railway system, and also implement Smart Wayside Object Controllers, SWOCs. The second objective was to nd such a system's potential, specically for a case study in Sweden. To reach the objectives, the thesis work has been combining both a quantitative and qualitative research method. Data have been collected partly from a literature review and partly from gatherings by the cooperating companies, Alstom and Trakverket. The combined data collection was further used in the modelling and applied in the case study. Following this implementation, an analysis was conducted, leading to results, discussion, and conclusion. In order to establish the demand from the energy system, non-disclosure values of the power consumption for each object were given by the cooperating company Alstom. Lithium-ion batteries, wind power, and solar photovoltaic were, from the literature review, found as the technologies most feasible for implementation after the limitations for the scope were decided. Suitable batteries were found, where the storage capacity was one crucial factor for the storage to function, which resulted in Tesla Powerwall 2 being the most feasible battery. For solar PV, dierent modules were compared in the software System Advisor Model, with the smallest possible conguration, which led to the manufacturer SunPower having the highest annual energy production per installed ground area. Dierent sizes, manufacturers, and constellations for wind turbines were investigated, resulting in a yearly overproduction for all congurations. However, two solutions were found for an installation with only wind power regarding the daily production and demand. Congurations combining both solar PV and wind power were also investigated, resulting in an additional solution consisting of one turbine, PV modules and a battery storage system. The final recommendations for the case study resulted in congurations consisting firstly of one 10 kW turbine with three battery units, secondly of one 6 kW turbine and one 10 kW turbine with two battery units and lastly of one 10 kW turbine combined with a solar PV conguration with two battery units. These installations all met the demand from the railway system and were within the frames of the limitations as well as the set assumptions. It was apparent that several factors aected the outcome of the case study. By implementing the energy system at a different location, the system showed substantial improvements and several more feasible solutions. By also changing the railway system's demand, new possible solutions could be found. Concluding, the energy system is highly location dependant, and if implemented at a dierent place, the research should be performed from the beginning for optimal results.Med hotande klimatförändringar, har länder runtom i världen förenats för att begränsa dess skada och påverkan på världen. För att nå en hållbar framtid är det viktigt att minska energiförlusterna och nyttja energianvändning på bättre satt. Detta kan göras genom användning av förnybara energikällor samt genom att hitta nya innovativa lösningar för industrier. Sverige har som mål att till är 2045 vara netto noll vad gäller växthusgaser, vilket leder till att man sätter press på de energikrävande sektorerna att hitta nya energismartare sätt. For järnvägsindustrin resulterar detta i digitalisering och smarta nya system for att optimera verksamheten. Därigenom skapas ett uppdaterat, mer konkurrenskraftigt och resurseektivt transportsystem i Sverige och Europa. Detta examensarbete utvecklades genom ett europeiskt forskningsprogram med fokus på järnvägssystemet och dess hållbara framtid. For att analysera dessa ämnen bestämdes två större mål. Det första målet var att urskilja och skapa ett energisystem för SWOC, med andra ord signalsäkerhetssystemet, i samband med järnvagssystemet. Det andra målet var att hitta potentialen i ett sådant system, särskilt för en fallstudie i Sverige. För att nå målen med arbetet har både en kvantitativ och kvalitativ forskningsmetod kombinerats. Data har samlats in, delvis från en litteraturstudie, och delvis från de samarbetande företagen Alstom och Trakverket. Datainsamlingen vidareutvecklades i modelleringen av fallstudien, vilket ledde till en analys följt av resultat, diskussion och slutsats. För att fastställa efterfrågan från energisystemet gavs sekretessbelagd information, gällande objektens energiförbrukning, från företaget Alstom. Litiumbatterier, vindkraft och solceller fastställdes från litteraturstudien som de teknologier som var mest lämpade for implementering efter att begränsningarna för kongurationen hade beslutats. Lämpliga batterier för energiförvaringssystemet hittades, dar lagringskapaciteten var en viktig faktor, vilket resulterade i att Tesla Powerwall 2 var det mest optimala batteriet. För solceller jämfördes olika moduler i programvaran System Advisor Model, med minsta möjliga konguration, vilket visade att tillverkaren SunPower hade den högsta årliga energiproduktionen per installerad markyta. Olika storlekar, tillverkare och konstellationer för vindkraftverk undersöktes under arbetet. Detta resulterade i en årlig överproduktion för alla kongurationer, men vid undersökning av daglig produktion och efterfrågan hittades två olika lösningar med endast vindkraft som energikälla. För de kombinerade konstellationerna kunde en lösning påvisa tillräcklig produktion för att möta energiefterfrågan, vilket var en lösning bestående av en vindturbin i kombination med solceller och ett energiförvaringssystem. De slutgiltiga rekommendationerna för fallstudien resulterade i kongurationer bestående först av en 10 kW turbin med tre batterienheter, den andra av en 6 kW turbin och en 10 kW turbin med två batterienheter och slutligen av en 10 kW turbin och en solcellskonguration med två batterienheter. Dessa ansågs vara de bästa alternativen då installationerna mötte energibehovet fran signalssystemet, men följde samtidigt begränsningarna och de satta antagandena. Det blev uppenbart att flera olika faktorer påverkade resultatet av fallstudien. Genom att implementera energisystemet på en annan plats visade systemet på betydande forbättringar och fler genomförbara losningar. Genom att också andra järnvagssystemets energikrav blev resultaten betydande och nya möjliga lösningar kunde hittas. Sammanfattningsvis, energisystemet är mycket platsberoende, och om det skulle implementeras på en annan plats, bör forskningen utföras från start för att nå optimala resultat