Methodology and tools for multi-criteria optimization of fuel cell hybrid electrical train architecture
Méthodologie et outils pour l’optimisation multicritères d’une architecture de train hybride électrique à hydrogène
Résumé
Decarbonization of the transport sector is currently a major concern for the various actors involved. Driven by the rise of the hydrogen industry, hybrid hydrogen trains are promoted as a solution for the future of sustainable mobility. The recent integration of hydrogen fuel cells in the railway industry offers promising prospects to reduce carbon emissions while ensuring high autonomy. The work achieved in this thesis is in line with this context and aims at developing a complete methodology for sizing the energetic architecture of the hybrid-electric hydrogen trains. Sizing a railway hybrid vehicle is challenging because numerous and conflicting criteria must be managed in parallel, such as sources lifespan, energy efficiency, and fuel consumption while taking into account the integration constraints and the operator requirements. In addition, the total cost of the solution must be considered over the lifetime of the vehicle. A multi-criteria optimization is therefore necessary, both on the architecture of the traction chain and on the energy management. A tool has been designed to determine the characteristics of the fuel cell, the battery, and the energy management strategy that will minimize the global cost of the train. To this end, we first developed a model of the train architecture to estimate the energy characteristics of the fuel cell and the battery on duty cycles. Based on the assessment of the degradation mechanisms of these sources, ageing models have been established and help estimate their lifespan on the studied cycles. Four energy management strategies have been designed to minimize the cost related to source operation over the duty cycles. The tool thus developed performs multi-criteria optimization on the different sources and energy management strategies studied, enabling to identify the optimal energetic sizing. Thanks to the partnership with the train manufacturer Alstom, we were able to use this tool on a concrete railway project with real duty cycles, demonstrating its relevance and effectiveness.
La décarbonation du secteur du transport est aujourd’hui une préoccupation majeure des différents acteurs du domaine. Portés par l’essor de la filière hydrogène, les trains hybrides à hydrogène sont actuellement présentés comme une solution d’avenir pour une mobilité durable. L’intégration récente des piles à hydrogène dans l’industrie du ferroviaire offre des perspectives prometteuses permettant de réduire les émissions carbone tout en garantissant des autonomies élevées. Les travaux réalisés dans cette thèse s’inscrivent dans ce contexte et ont pour objectif de proposer une méthodologie complète et des outils de dimensionnement de l’architecture énergétique des trains hybrides électriques à hydrogène.Les difficultés de dimensionnement d’un véhicule hybride ferroviaire résident ainsi dans la complexité à gérer en parallèle de nombreux critères antagonistes tels que la durée de vie des sources, leur rendement énergétique, la consommation du combustible, tout en considérant les contraintes d’intégration et les exigences de l’exploitant. Le coût global de la solution est également à prendre en compte sur la durée de vie du véhicule. Une optimisation multicritères est donc nécessaire, à la fois sur l’architecture de la chaîne de traction et sur la gestion de l’énergie. Un outil a été construit pour déterminer les caractéristiques de la pile à hydrogène, de la batterie ainsi que la stratégie de gestion de l’énergie qui minimisent le coût global du train. Pour ce faire, nous avons tout d’abord développé un modèle de cette architecture afin d’estimer, sur des cycles d’usage, les caractéristiques énergétiques de la pile à hydrogène et de la batterie. A partir de l’étude des mécanismes de dégradation de ces sources, des modèles de vieillissement ont été établis pour estimer leur durée de vie sur les cycles étudiés. Quatre stratégies de gestion de l’énergie ont été également considérées, afin de minimiser les coûts liés à l’utilisation des sources sur les cycles d’usage. L’outil développé permet de réaliser l’optimisation multicritères sur les différentes sources et stratégies de gestion de l’énergie étudiées, afin d’identifier le dimensionnement énergétique optimal. Grâce au partenariat avec le constructeur ferroviaire Alstom, nous avons pu appliquer cet outil sur un projet ferroviaire concret composé de cycles d’usage réels, démontrant ainsi sa pertinence et son efficacité.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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