Vooruitgang in materiaalwetenschap maakt e-wegen werkelijkheid

Het is aangetoond dat de transportsector een aanzienlijke bijdrage levert aan de wereldwijde klimaatverandering en de CO2-uitstoot [1]. Elektrische voertuigen (EV's) worden van strategisch belang geacht in de transitie naar een planeet met schone energie [2].

De adoptie van EV's belooft tal van ecologische, maatschappelijke en economische voordelen te bieden, zoals het minimaliseren van luchtverontreinigende stoffen, schonere stadslucht, minder geluidsemissies en een boost van de economie [3]. EV's kunnen het energieverbruik en de uitstoot van broeikasgassen aanzienlijk verminderen, vooral wanneer de energiebron wordt overgeschakeld naar schone energiebronnen zoals wind- en zonne-energie [4][5].

De voordelen van een brede acceptatie van elektrische voertuigen lijken opmerkelijk, maar de uitdagingen voor de algemene acceptatie blijven aanzienlijk. Hoewel EV's recentelijk aanzienlijk zijn ontwikkeld op het gebied van zowel prestaties als rijbereik, hebben ze nog steeds last van beperkingen zoals het gewicht, de grootte en de kosten van batterijen, kleine of niet-bestaande oplaadinfrastructuurnetwerken, een lange oplaadduur en hun relatief hoge kosten in vergelijking met traditionele voertuigen [3].

De ontwikkeling van de infrastructuur van EV's is een cruciale kwestie om het hoofd te bieden aan de brede acceptatie van EV's. In deze context spelen geëlektrificeerde wegen een belangrijke rol, waardoor de grenzen aan de verspreiding van elektrische voertuigen kunnen worden overwonnen.

Beperkingen van de batterijen van EV's

Om de cruciale beperkingen van EV's op te lossen, lijkt het verder stimuleren van de ontwikkeling en optimalisatie van EV-batterijen een van de voor de hand liggende oplossingen. Maar stel dat verbeteringen in batterijtechnologie slagen, dan zijn er nog andere uitdagingen op het gebied van klimaat, milieu of toegang tot hulpbronnen die nog moeten worden overschreden.

De bezorgdheid over de duurzaamheid van de batterijen van EV's moet nog volledig worden opgelost. Fundamenteel is het belangrijk om te begrijpen of lithium, kobalt en nikkel, de belangrijkste metalen die nodig zijn voor Li-ion-tractiebatterijen, duurzaam gewonnen kunnen worden zonder de fundamentele veronderstelling van EV's als middel tot duurzaamheid tegen te spreken [6].

De kobaltwinning is bijvoorbeeld voornamelijk geconcentreerd in een van de minst ontwikkelde landen ter wereld, de Democratische Republiek Congo. Dit land heeft beperkte transparantie in de kobaltwaardeketen, naast sterke bewijzen van mensenrechtenschendingen, gevaarlijke arbeidsomstandigheden, dwangarbeid en kinderarbeid [7][8]. Lithiumleveranciers moeten rekening houden met ethische inkoopoverwegingen. Bovendien is het niet gegarandeerd dat de vraag naar lithium-ionbatterijen altijd zal worden gedekt [9][10].

Oplaadtechnologieën voor EV's

Technologische verbeteringen hebben zelfs betrekking op oplaadtechnologieën voor EV's. De huidige EV-oplaadtechnologieën kunnen worden geclassificeerd als plug-in, geleidend en inductief.

Plug-in opladen kan bijna alle bestaande EV's opladen, maar de EV moet worden geparkeerd en fysiek worden aangesloten op een energiebron. Aan de andere kant, met geleidende laadtechnologie, zou de EV in contact komen met hoogspanningslijnen via een stroomafnemer terwijl deze in beweging is, wat een hoge overdracht van energie in een korte tijd mogelijk maakt.

In de meer recente inductieve technologie, ook bekend als Wireless Power Transfer (WPT) , de stroom wordt draadloos naar de EV overgebracht via inductieve koppeling tijdens het reizen of tijdens korte stops [2][11].
Kortom, de WPT-technologie kan als volgt worden beschreven:

• Elektriciteit van het net stuurt stroom door de zenderspoel;
• De stroom genereert een magnetisch veld;
• Het magnetische veld induceert een stroom in de ontvangende spoel, die is afgestemd op dezelfde frequentie;

Hoewel het nog steeds geen volwassen technologie is, zou WPT veel beperkingen kunnen overwinnen die de verspreiding van EV's hebben belemmerd [12].

De inductieve technologie kan tal van voordelen bieden, zoals [13]:

• Een groter batterijbereik, wat leidt tot minder angst voor het bereik;
• Kleinere batterijen en sneller opladen, wat meer mobiliteit impliceert;
• Chauffeurs hebben geen last van vuile en potentieel gevaarlijke kabels (regen, kabel, vandalisme, enz.), en het laadproces is eenvoudiger.

e-Roads voor draadloos opladen

Elektrische wegen (e-Roads) lijken misschien slechts een sciencefiction-visie, maar ze komen sneller tot stand dan we denken. e-Roads maken het theoretisch mogelijk om een ​​onbeperkt aantal EV's draadloos op te laden terwijl ze in beweging zijn, waardoor knelpunten op laadstations worden vermeden [6].

De near-field WPT-technologie die in e-Roads is geïmplementeerd, kan inductief elektriciteit leveren aan een ontvanger, met een hoog vermogen maar met een beperkte luchtspleetafstand. De afgelopen tien jaar is er aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van laadvermogen, overdrachtsafstand, efficiëntie en veiligheid van WPT-systemen, waardoor de praktische implementatie ervan aanzienlijk vooruit is gegaan [14]. Bovendien zou het bekabelen van wegen voor dynamisch opladen, op volledige schaal, duurzamer kunnen zijn dan het gebruik van grote batterijen in een groot aantal elektrische voertuigen [13].

e-Wegenbouwtechnologieën zijn in ontwikkeling, hetzij in in-situ-gebaseerde of op prefabricage gebaseerde installaties, en ze zijn geclassificeerd als [15]:

• Geul-gebaseerde manier (constructie op ondergrondse laag of oppervlakte-flush);
• Micro-greppelweg (alleen uitgraving op ondergrond);
• Vervanging van de volledige rijbaan (constructie over de volledige breedte van de rijbaan op de ondergrond of vlak aan het oppervlak);
• Geprefabriceerde volledige baanbreedte (ondergrond of vlak).

De potentiële voordelen van de constructieopties op basis van sleuven en microsleuven zijn onder meer kortere installatieperiodes (vergeleken met constructies over de volledige breedte van de rijstrook), een lager volume aan opgegraven afvalmateriaal en gemakkelijke toegang tot de e-Road-systemen voor onderhoud [16 ].

Enabler-materialen voor e-wegen

e-Roads worden realiteit dankzij de magnetische eigenschappen van specifieke materialen die de acceptatie van WPT als het oplaadsysteem van EV's mogelijk maken. Het gebruik van magnetiseerbare materialen, beton en asfalt, biedt veel kansen in de transportsector [16].

"Talga" en "Betotech" oplossing om het beton geleidend te maken is mogelijk met behulp van industriestandaard cement met toevoegingen van ongerept grafeen, grafiet en het silica-rijke bijproduct van de verwerking van erts [17]. Dit met grafeen versterkte beton is zeer geleidend met een lage elektrische weerstand van 0,05 ohm-cm. Bij een vergelijkbare droogheid heeft cementmortel een verbazingwekkend hoge algemene soortelijke weerstand van ongeveer 1.000.000 ohm-cm.

Een interessant alternatief voor grafeen is de oplossing die wordt voorgesteld door "Magment", die bestaat uit magnetiseerbare betonmaterialen, op cement- of asfaltbasis, ontwikkeld door magnetische ferrietdeeltjes als aggregaten te gebruiken, die magnetische eigenschappen verkrijgt wanneer een hoogfrequente elektrische stroom wordt geïnduceerd. Het is een gepatenteerde technologie die de mechanische eigenschappen van conventioneel beton handhaaft om volledig compatibel te zijn met conventionele wegenbouwpraktijken.

WPT heeft verschillende magnetische lagen nodig om het magnetische veld te regelen, zowel om het veld in de richting van de ontvanger te leiden als om het naar de grond te beperken.

Door gebruik te maken van gemanipuleerde metamaterialen (MM), is het mogelijk om een ​​superieure efficiëntie van de zenderspoel te bereiken door elektromagnetische golven te manipuleren.

In het specifieke geval van Magment's technologie wordt een Diamagnetisch Metamateriaal (DM) laag onder een magnetiseerbaar betonnen substraat geplaatst en een Field-Focusing (FF) laag boven de spoel [17].

Dit beton bestaat voor bijna 87 procent uit magnetiseerbare aggregaten die afvalproducten zijn van de productie van keramische ferrieten en de recycling van elektronisch schroot. Ferrieten zijn keramische materialen die zijn samengesteld uit ijzeroxiden van verschillende metaalelementen die sterk aanwezig zijn in de natuur, zoals mangaan, zink, calcium en aluminium. De opmerkelijke positieve kant is dat ferrietdeeltjes voornamelijk worden verkregen door gerecycled materiaal uit de ferrietindustrie en de snelgroeiende hoeveelheid elektronisch afval, hoewel hun elektromagnetische eigenschappen misschien onbekend zijn [18].

Technologische aspecten van e-Roads

e-Roads zijn structureel complexer dan traditionele wegen, vooral vanwege hun ingebouwde technologische apparaten. De duurzaamheid en het minimale onderhoud van e-Roads zijn cruciale factoren voor de implementatie van e-Road. Het wegdek moet een hoge mechanische weerstand bieden tegen doorbuiging of spoorvorming. De betonnen wegen, met een levensduur van 50-60 jaar, kunnen voldoen aan de vereiste duurzaamheid op lange termijn. Maar e-Roads zullen verder onderzoek nodig hebben voor hun optimalisatie.

De belangrijkste componenten in op WPT gebaseerde e-Road-systemen zijn de platen van de laadeenheid (CU) die zijn gemaakt van een betonnen module en vermogenselektronica. Deze omvatten een oplaadsysteem, zoals geleidende spoelen en magnetische ferrieten.

Verbetering van de structurele integriteit van e-Roads is van groot belang. Dit omvat het gebruik van hoogwaardige coatings, spanningsontlastende membranen of weefsels, materialen voor plugverbindingen op de kritieke interfaces, versterkte materialen en gradatie van asfaltoverlay [15][16].

Toepassingsscenario's

De inductieve oplaadtechnologie, statisch, stationair en dynamisch, kan in verschillende toepassingsscenario's worden toegepast.

De statische laadtechnologie zou kunnen worden toegepast bij het parkeren van auto's, het parkeren van bussen bij busstations en bij vrachtvoertuigen tijdens het laden of lossen. De stationaire oplaadtechnologie kan worden toegepast in taxi's die in de rij staan ​​op een taxistandplaats, bussen die stoppen bij bushaltes en voertuigen die stoppen bij kruispunten. De dynamische laadtechnologie kan worden toegepast op snelwegen en stedelijke wegen met speciale laadstroken [2].

WPT toont aan dat het een geldige technologie is, aangezien de kans groot is dat de toepassing ervan in de nabije toekomst zal plaatsvinden, vooral op het gebied van openbaar vervoer en logistiek.

De kosten en autonomie van batterijen zijn nog steeds relevante beperkingen bij de adoptie van de vloot van elektrische bussen en vrachtvoertuigen. Dit soort voertuigen volgen echter altijd dezelfde paden, zodat ze optimaal kunnen profiteren van de WPT-technologie voor dynamisch opladen. Bovendien wordt geschat dat met deze technologie de afmetingen van de batterij tot 70% kunnen worden verminderd. Dit vermindert bijgevolg het totale voertuiggewicht en verhoogt de batterijprestaties.

Inductieladen drijft al bussen aan in Turijn, Italië, sinds 2003 en in Utrecht, Nederland, sinds 2010. Zuid-Korea, Israël en Duitsland hebben ook met succes het transportnetwerk geïmplementeerd voor het dynamisch opladen van openbare elektrische bussen [12][13][ 19].

Terwijl Noorwegen zich richt op de implementatie van dynamisch opladen voor zwaar goederenvervoer over lange afstanden, aangezien de elektrificatie van 5% van de Noorse wegen bijna de helft van de uitstoot van zware voertuigen zal verminderen [6].

Taxi's moeten meestal in de rij staan ​​of geparkeerd worden op strategische plaatsen van luchthavens, treinstations en hotels, om er maar een paar te noemen. De plug-in-technologie dwingt de taxi's enkele uren vast te zitten in de parkeergarage. De draadloze technologie zou deze cruciale beperking met succes kunnen overwinnen.

Oslo staat op het punt de eerste stad ter wereld te worden die een dynamische WPT implementeert, het opladen van elektrische taxi's mogelijk maken terwijl ze in langzaam bewegende wachtrijen bij taxistandplaatsen staan ​​[22][23].

Bovendien kunnen in de logistieke sector voertuigen zoals elektrische vorkheftrucks en grondondersteuningsapparatuur (GSE) het potentieel van de WPT via geselecteerde routes benutten zonder te hoeven stoppen om op te laden [14][17].

Verschillende implementatieprojecten voor elektrificerende snelwegen zijn in ontwikkeling in verschillende delen van de wereld, zoals in Zweden in het kader van de  "Smart Road Gotland ” project, en in het VK als gevolg van Highways England s werk.