Metro hattında açığa çıkan regeneratif enerjiyi kullanarak enerji optimizasyonu
Energy optimization by using released regenerative energy in a subway line
Yazar: ÜNSAL GÖK
Danışman: PROF. DR. BELGİN TÜRKAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Modern şehircilik anlayışında, özellikle büyük kentlerdeki nüfus yoğunluğu nedeniyle ulaşım zaman ve para kaybına neden olan önemli bir problemdir. Bu nedenle trafik sorununa sürekli alternatif çözüm yolları aranmaktadır. Merkezi ve Yerel yönetimler yeni ulaşım planları düzenleyerek toplu taşımayı teşvik etmektedirler. Toplu taşıma denilince akla ilk gelen konvansiyonel taşıtlar modern şehircilik anlayışıyla yerini daha konforlu, verimli, ekonomik ve entegre olan raylı sistemlere bırakmaktadır. Büyükşehirlerde kent içi raylı sistemler hız, konfor, güvenilirlik ve çevre dostu oluşlarıyla büyükşehirlerin vazgeçilmezi olmalarıyla birlikte, sundukları yüksek taşıma kapasitesi ile de ön plana çıkmaktadırlar.

Raylı sistemlerde elektrik güç talebi ve enerji tüketimi sabit olmayıp
zamana, işletmede kullanılan tren tipine, sefer sayısına, yolcu sayısına ve işletme hızına bağlı olarak sürekli değişmektedir.
Bu nedenle her geçen gün artan enerji maliyetlerini azaltmak için verimliliğini iyileştirmek için detaylı çalışmaların yapılmalı ve çalışmalar sonucu elde edilen olumlu sonuçlar toplu taşıma işletmecileri tarafından uygulanmalıdır.

Büyük güç gerektiren ve yüksek enerji tüketen raylı ulaşım sistemlerde yapılacak küçük yüzdeli bir enerji verimliliği çalışmasının sonuçları bile maddi olarak özellikle uzun dönemde çok büyük olabilir.

İstanbul raylı toplu taşıma sistemi, yılda yaklaşık 300 milyon kWh enerji tüketmektedir. Tüketilen enerji dağılımları, metro hatların da \%45'i trenlerin hareketi \%55' i de iç ihtiyacı karşılamak amacıyla kullanılırken tramvay gibi yer üstünden giden raylı ulaşım sistemler için bu durum \%95 'i trenlerin hareketi \% 5'i de iç ihtiyaç için kullanılmaktadır.Bu farklılıklar, her bir raylı sistem türü için enerji verimliliği çalışmalarının özel olarak tasarlanmasını gerektirmektedir.

Bu çalışmada, trenlerin cer sisteminde harcanan enerjinin azaltılması amaçlanmıştır. Bu sebeple sefere çıkan ilk tren için ideal bir hız profili oluşturulmuştur. İdeal hız profili oluşturulurken istasyon varış süresi değiştirilmemiş ve istasyon bekleme süresi azaltılmıştır. Mevcut hatta işletilen trenler iki istasyon arasını 80s'de almaktadırlar çalışmada bu süre 90s ile 120s arasında seçilmiştir.Böylece ortalama hız düşürülerek trenin tükettiği enerjiyi azaltmak hedeflenmiştir.

Belirlenen ideal hız profili seferdeki tüm trenler için uygulanmıştır. İlk trenden sonraki trenler için her tren kendinden önceki trenin elektrodinamik frenlemesi sırasında açığa çıkardığı regeneratif enerjiyi kullanacak ve böylece enerji daha verimli kullanılacaktır.

Trenlerin maksimum regeneratif enerjiyi üretebilmesi için gereken frenleme noktası tespit edilmiştir. Frenleme noktasının tespiti için genetik algortima kullanılmıştır. Genetik algoritma sonucu elde edilen sonuçlar İstanbul metrosu M5 Üsküdar-Samandıra Metro Hattı'nda işletmede kullanılan trenlere ait gerçek enerji tüketim ve regeneratif enerji üretim verileri ile karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Analizler hesaplama kolaylığı olmasıaçısında ilk 9 istasyon için yapılmıştır.

Sonuç olarak, üretilen gerçek regeneratif enerjinin \%100 kullanımı senaryosu için bir trenin 9 istasyon için tam tur enerji maliyeti \%28.5; hesaplama sonucu üretilen regeneratif enerjinin \%100 kullanımı senaryosu için bir trenin 9 istasyon için tam tur enerji maliyeti \%30.74 azalmaktadır. EPDK'nın orta gerilimden beslenen tek zamanlı  kamu kurumu için belirlemiş olduğu birim enerji maliyeti 01.07.2024 tarihi için 306.66 kuruş/kWh'dir. Bu birim  fiyat referans alınarak günlük 121 sefer (120 seferde RE kullanılabilir) yapan filo için aylık yapılan maliyet analizi sonucunda üretilen gerçek regeneratif enerjinin \%100 kullanımı senaryosu için tren filosunun 9 istasyon için tam tur enerji maliyeti (aylık fatura) 2.155.954,73 TL ; hesaplama sonucu üretilen regeneratif enerjinin \%100 kullanımı senaryosu için tren filosunun 9 istasyon için tam tur enerji maliyeti (aylık fatura) 2.322.213,52 TL azalmaktadır.
Bu çalışma M5 Üsküdar Samandıra metro hattının mevcut işletmede kullanılan 20 istasyonu için uygulandığında enerji maliyet kazançları daha da büyük olacaktır.

Abstract:
Modern urbanism places a significant emphasis on addressing transportation challenges, which are a major source of time and money loss, especially in densely populated urban centers. The rapid growth of cities has led to increased traffic congestion, necessitating innovative solutions to improve mobility and reduce the adverse effects of traffic jams. Consequently, both central and local governments are increasingly prioritizing the development and promotion of efficient public transportation systems.

Traditional public transportation vehicles, such as buses and taxis, are gradually being supplemented and even replaced by rail systems. These rail systems are highly valued for their numerous advantages, which include comfort, efficiency, economic benefits, and compatibility with modern urban planning principles. Rail systems have become indispensable in metropolitan cities due to their ability to provide rapid, comfortable, and reliable transportation. Additionally, they are environmentally friendly, contributing to reduced pollution levels and lower greenhouse gas emissions, which align with global sustainability goals.

One of the critical aspects of rail transportation systems is their energy consumption and electric power demand. These factors are not constant over time and can vary significantly depending on several variables. These variables include the type of train used in the operation, the number of trips made, the number of passengers carried, and the operating speed of the trains. Understanding and managing these variables is crucial for optimizing energy use and improving the overall efficiency of the transportation system.

Given the high energy requirements and consumption levels of rail transportation systems, even small improvements in energy efficiency can result in substantial financial savings. This is particularly true over the long term, where cumulative savings can be significant. Therefore, detailed studies focused on enhancing energy efficiency are essential. These studies should aim to identify areas where energy use can be reduced without compromising the quality of service. Once potential improvements are identified, they should be implemented by public transportation operators to achieve the desired efficiency gains.

Taking the Istanbul railway public transportation system as an example, it is observed that the system consumes approximately 300 million kWh of energy annually. The distribution of this energy consumption varies between different types of rail systems. In metro lines, about 45\% of the energy is used for the movement of trains, while the remaining 55\% is utilized for internal needs such as lighting, ventilation, and other auxiliary services. On the other hand, overground rail transportation systems, such as trams, allocate about 95\% of their energy to train movement, with only 5\% used for internal needs. These significant differences highlight the necessity for energy efficiency studies to be specifically tailored to the type of rail system in question.

The primary objective of this study is to reduce the energy consumed in the traction systems of trains. To achieve this goal, an ideal speed profile for the first train departing has been created. This profile is designed to optimize energy use while maintaining the same station arrival times. The strategy involves reducing the station waiting time, thereby lowering the overall average speed of the train. Under the current operating conditions, trains take 80 seconds to travel between two stations. However, in this study, the travel time has been adjusted to a range between 90 seconds and 120 seconds. By reducing the average speed, it is anticipated that the energy consumed by the train will also be reduced.

The optimal speed profile developed in this study is intended to be applied to all trains in the service. A significant aspect of this approach is that trains following the first train can utilize the regenerative energy produced during the electrodynamic braking of the preceding train. Regenerative braking is a process where the train's kinetic energy is converted back into electrical energy during braking, which can then be reused. This approach not only improves energy efficiency but also reduces the overall energy consumption of the rail system.

To maximize the production of regenerative energy, the optimal braking point for the trains was determined using a genetic algorithm. Genetic algorithms are a type of optimization technique inspired by the process of natural selection, and they are particularly useful for solving complex problems with multiple variables. By applying the genetic algorithm, the study identified the braking points that would generate the maximum amount of regenerative energy. The results obtained from the genetic algorithm were then analyzed and compared with the actual energy consumption and regenerative energy production data of trains operating on the Istanbul metro M5 Üsküdar-Samandıra Metro Line. For the purposes of this analysis, the first nine stations of the metro line were considered to simplify the calculations.

The analysis revealed that the round trip energy cost for a train covering nine stations decreased by 28.5\% when there was 100\% utilization of the actual regenerative energy generated. Moreover, the full tour energy cost for nine stations decreased by 30.74\% when there was 100\% utilization of the regenerative energy generated as a result of the calculations. These findings underscore the significant potential for energy savings through the effective use of regenerative energy.

In financial terms, the study utilized the unit energy cost determined by the Energy Market Regulatory Authority (EMRA), which was set at 306.66 kurus per kWh as of July 1, 2024. Based on this unit price, the monthly energy cost for the train fleet operating 121 trips per day (with regenerative energy being used in 120 trips) for nine stations was calculated to be 2,155,954.73 Turkish Lira (TL). However, when the scenario of 100\% utilization of regenerative energy generated as a result of the calculations was applied, the monthly energy cost for the same fleet was reduced to 2,322,213.52 TL.

The potential savings become even more pronounced when these results are extrapolated to the entire 20-station M5 Üsküdar-Samandıra metro line. By implementing the findings of this study across all stations, the energy cost gains would be significantly greater, leading to substantial financial savings for the public transportation system. This study not only demonstrates the importance of optimizing energy use in rail transportation systems but also provides a practical framework for achieving these efficiency gains through the application of advanced optimization techniques such as genetic algorithms.