ANALYSIS OF REGENERATIVE BRAKING CONTRIBUTION TO RAIL ENERGY EFFICIENCY IN URBAN RAIL SYSTEM

Fadlur Rahman, Dr. Eng. Ir. Imam Muthohar, S.T., M.T., IPM.; Ir. Latif Budi Suparma, M.Sc., Ph.D.

2024 | Tesis | S2 Mag. S. & T.Transportasi

Sektor perkeretaapian telah muncul sebagai bentuk transportasi publik yang sangat ditingkatkan dalam skala global. Aspek penting dalam meningkatkan kualitas sektor perkeretaapian melibatkan optimalisasi pemanfaatan energi. Optimalisasi memainkan peran penting dalam memastikan fungsi kegiatan yang tidak terganggu dan memberikan dampak positif terhadap lingkungan. Sumber konsumsi energi yang paling signifikan dalam operasi perkeretaapian disebabkan oleh traksi kereta. Proses traksi kereta api menyumbang sekitar 80?ri keseluruhan penggunaan energi. Akibatnya, di samping biaya besar yang dikeluarkan, pemanfaatan sumber daya yang dipilih untuk produksi energi juga menghasilkan implikasi lingkungan yang tinggi, sehingga mempengaruhi keberlanjutan. Paparan ini kemudian muncul sebagai titik fokus yang menonjol dalam semua studi yang berkaitan dengan kereta api. Penelitian ini dilakukan untuk memahami dan menganalisis kontribusi pengereman regeneratif sebagai bagian dari operasi kontrol kereta api yang hemat energi.

Eksperimen dilakukan dengan menggunakan metode General Pseudo-spectral Optimal Control Software (GPOPS) untuk optimasi model yang digunakan. Penelitian ini menggabungkan empat studi kasus yang menggunakan input terkontrol yang berbeda, termasuk variabel independen waktu perjalanan, jumlah titik kolokasi yang digunakan, dan penyertaan waktu penyangga tambahan untuk setiap waktu transit yang ditentukan. Eksperimen ini mengaplikasikan pengkodean dengan Algoritma GPOPS dengan menggunakan software MATLAB dalam melakukan optimasi model. Studi kasus yang sudah dirancang kemudian disimulasi menggunakan model yang sudah diterapkan dalam algoritma GPOPS. Simulasi dilakukan dengan memvariasikan besaran kecepatan operasi dalam simulasi, titik kolokasi, dan penambahan suplemen waktu tempuh ke dalam waktu tempuh yang telah ditentukan dalam skenario di setiap studi kasus.

Hasil studi ini menunjukkan bahwa jumlah konsumsi energi dan pembangkitan energi pengereman regeneratif yang optimal dicapai ketika kecepatan operasional ditingkatkan menjadi 100 km/jam. Efisiensi energi yang dicapai mencapai 68?ri total energi, sementara energi yang dihasilkan oleh pengereman regeneratif mencapai 18?ri penggunaan energi yang optimal. Lebih lanjut, dengan penggabungan konsumsi energi dan output energi pengereman regeneratif, dimungkinkan untuk mencapai tingkat efisiensi sebesar 74%. Penelitian ini menyarankan adopsi Sistem Penyimpanan Energi (ESS) on-board untuk secara efisien menangkap dan memanfaatkan energi yang dihasilkan selama pengereman regeneratif untuk mendukung operasi kereta selanjutnya selama fase trakis. Sistem penyimpanan energi (ESS) yang direkomendasikan adalah kapasitor lapisan ganda listrik (EDLC), yang menunjukkan karakteristik efisiensi dan daya tahan yang unggul.

The railway sector has emerged as a highly enhanced form of public transportation on a global scale. An essential aspect in enhancing the caliber of the railway sector involves the optimization of energy utilization. Optimization Plays a vital role in ensuring the uninterrupted functioning of activities and making a positive impact on the environment. The most significant source of energy consumption in railway operations is attributed to train traction. The process of train traction accounts for approximately 80% of the overall
energy usage. Consequently, alongside the substantial expenses incurred, the utilization of the chosen power source for energy production also yields elevated environmental
implications, thereby affecting sustainability. The exposure thereafter emerges as a prominent focal point in all studies pertaining to trains. The research is undertaken to understand and analyze the contribution of regenerative braking as a part of energy efficient train control operation.

The experiment was performed utilizing the General Pseudo-spectral Optimal Control Software (GPOPS) method for the optimization of the used model. This work incorporates four case studies that employ different controlled inputs, including the independent variable of journey time, the number of collocation points utilized, and the inclusion of additional buffer time for each designated transit time. This research utilizes the GPOPS algorithm in conjunction with MATLAB software to optimize the model through coding. The case study is subsequently simulated utilizing the model implemented in the GPOPS algorithm. The simulations were performed by manipulating the operating speed, collocation locations, and the inclusion of travel time supplements to the stipulated trip time in the scenario for each individual case study.

The results suggest that the optimum amounts of energy consumption and regenerative braking energy generation were attained when the operational speed was increased to 100 km/h. The energy efficiency achieved accounts for 68% of total energy, whilst the energy generated by regenerative braking accounts for 18% of the optimal energy use.

Furthermore, with the aggregation of energy consumption and the output of regenerative braking energy, it is possible to achieve an efficiency level of 74%. This study proposes the implementation of an on-board Energy Storage System (ESS) to effectively capture and utilize the energy produced during regenerative braking in order to assist in future train operations during the tracking phase. The suggested energy storage system (ESS) is an electrical double-layer capacitor (EDLC), which demonstrates exceptional efficiency and endurance properties.

Kata Kunci : GPOPS, EETC, Regenerative Braking, Energy efficiency, Railway system, Train Control, GPOPS, EETC, Pengereman Regeneratif, Efisiensi energi, Sistem kereta api, Kontrol Kereta Api