Comparative Life Cycle Assessment of air-free and pneumatic metro brake systems

Abstract

This master thesis presents a comparative cradle-to-grave life cycle assessment of a newly developed air-free brake system and conventional pneumatic brake systems for metro applications. The results refer to the functional unit, defined as "Decelerating an average six-car metro train over 40 years in Vienna" and the main objective of this study is the evaluation of the environmental performance of both technologies according to ISO 14044.The literature review highlights several advantages of electro-hydraulic brake systems over pneumatic systems including less weight, reduced installation space and improved brake performance. Hydraulic leaks are a potential safety issue in electro-hydraulic brake systems. However, the air-free brake system mitigates this problem through its decentralized electro-hydraulic control. Pneumatic brake systems, although known for their robustness and reliability, require extensive maintenance efforts due to their numerous pneumatic sub-components. Very few literature sources directly compare pneumatic railway brake systems with air-free alternatives and none of them assess these systems regarding sustainability.The LCA results indicate that the air-free brake system has a lower overall environmental impact compared to pneumatic brake systems in all assessed impact categories, particularly reducing climate change impacts by more than 50%. The air-free brake system's decentralized, electronic control and the electro-hydraulic brake actuator's integrative design contribute to lower material use, high system permeability and hence low environmental impacts of the air-free brake system. However, the periodic replacement of copper-rich components creates environmental burdens in the impact category "Resource use, minerals and metals," presenting an optimization potential for the air-free brake system's maintenance strategy.For pneumatic brake systems, the brake equipment unit is identified as the most contributing component to the system's environmental upstream impacts. During passenger operation, additional electricity demands from the train's traction system due to the pneumatic brake system's weight surplus and slow caliper release times are identified as significant hotspots. Scenario analysis showcases a distinct reduction of the overall global warming potential of both brake systems when a renewable electricity mix is used during metro operation.In conclusion, the air-free brake system offers significant environmental and technological benefits compared to pneumatic metro brake systems and is therefore the recommended choice. Pneumatic brake systems are likely to remain a viable option in metro applications due to their historically grown high degree of optimization.

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist eine vergleichende cradle-to-grave Ökobilanz eines neu entwickelten druckluftfreien Bremssystems und konventioneller pneumatischer Bremssysteme für U-Bahnen. Die funktionelle Einheit lautet „Verzögerung eines durchschnittlichen sechsteiligen U-Bahn-Zuges über 40 Jahre in Wien“ und dient als Referenzgröße für die Ergebnisse. Beide Bremssysteme werden gemäß ISO 14044 hinsichtlich ihrer Umweltauswirkungen bewertet. Im Rahmen einer Literaturrecherche wurden verschiedene Vorteile von elektrohydraulischen Bremssystemen ermittelt, darunter geringeres Gewicht, reduzierter Einbauraum und bessere Bremsleistung. Typische Nachteile hydraulischer Systeme, wie potenzielle Leckagen, werden durch die dezentrale Steuerung des druckluftfreien Systems minimiert. Pneumatische Bremssysteme zeichnen sich durch ihre Robustheit und Zuverlässigkeit aus, erfordern jedoch intensive Wartung aufgrund der zahlreichen Komponenten. Es wurden nur wenige Quellen gefunden, die elektrohydraulische und pneumatische Bremssysteme bei Schienenfahrzeugen vergleichen, und keine davon untersucht ihre Nachhaltigkeit.Die LCA-Ergebnisse zeigen, dass das druckluftfreie Bremssystem in allen betrachteten Wirkungskategorien besser abschneidet, wobei sich die Auswirkungen auf den Klimawandel mehr als halbieren. Das integrative Design des elektrohydraulischen Bremsaktuators mit abgeschlossenem hydraulischem System führt zu weniger Materialeinsatz, höherer Dichtheit und somit zu geringeren Umweltauswirkungen. Der regelmäßige Austausch kupferreicher Komponenten in der Wartungsphase hat jedoch deutliche Auswirkungen in der Kategorie „Ressourcennutzung, Mineralien und Metalle“ und stellt ein Optimierungspotenzial für das druckluftfreie Bremssystem dar. Bei pneumatischen Bremssystemen verursacht die Bremsgeräteeinheit den größten Umwelteinfluss im Upstream. Während des Betriebs führen das höhere Gewicht und das langsamere Lösen der Bremsen zu einem erhöhten Energieverbrauch des Antriebs. Szenarioanalysen zeigen, dass der Einsatz eines erneuerbaren Strommixes während des Fahrgastbetriebs die Klimawandelauswirkungen beider Systeme signifikant verringern kann. Zusammenfassend bietet das druckluftfreie Bremssystem erhebliche ökologische und technologische Vorteile und wird daher als bevorzugte Wahl empfohlen. Pneumatische Bremssysteme bleiben jedoch aufgrund ihrer weit fortgeschrittenen Optimierung und Zuverlässigkeit eine gängige Option in der Schienenfahrzeugbranche.