Revolutionaire materialen maken duurzame e-wegen een realiteit

Het transportsector is aangetoond significant bij te dragen aan mondiale klimaatverandering en CO2-uitstoot [1]. Elektrische voertuigen (EVs) worden als strategisch belang beschouwd in de overgang naar een schone energie planeet [2].

De adoptie van EVs belooft tal van milieu-, maatschappelijke en economische voordelen te brengen zoals de minimalisatie van luchtverontreiniging, schonere stadsucht, minder geluidsemissies, en een boost in de economie [3]. EVs kunnen energieverbruik en broeikasgasuitstoot significant verminderen, met name wanneer de energiebron verschuift naar schone energiebronnen zoals wind- en zonne-energie [4][5].

De voordelen van een wijdverspreide EV-adoptie lijken opmerkelijk, maar de uitdagingen voor algemene acceptatie blijven significant. Hoewel EVs recentelijk significant ontwikkeld zijn in termen van zowel prestaties als bereik, lijden ze nog steeds onder beperkingen zoals het gewicht, de grootte en de kosten van batterijen, kleine of niet-bestaande oplaadinfrastructuur netwerken, lange oplaadduur, en hun relatief hoge kosten vergeleken met traditionele voertuigen [3].

De ontwikkeling van EVs' infrastructuur is een cruciale kwestie om aan te pakken om de brede adoptie van EVs te bereiken. Binnen deze context, spelen geëlektrificeerde wegen een belangrijke rol die het mogelijk kan maken de limieten van EVs' diffusie te overwinnen.

Beperkingen van EVs' batterijen

Om de cruciale beperkingen van EVs op te lossen, lijkt het verder ontwikkelen en optimaliseren van EV-batterijen een van de voor de hand liggende oplossingen. Maar stel dat verbeteringen in batterijtechnologie wel slagen, er zijn nog andere uitdagingen gerelateerd aan klimaat, omgeving of toegang tot bronnen die nog overstappen zijn.

Duurzaamheidszorgen rondom EVs' batterijen zijn nog niet volledig opgelost. Fundamenteel is het belangrijk om te begrijpen of lithium, kobalt en nikkel, de sleutelmetalen die vereist zijn voor Li-ion tractiebatterijen, duurzaam onttrokken kunnen worden zonder de fundamentele aanname van EVs als een middel tot duurzaamheid te tegenspreken [6].

Bijvoorbeeld, kobaltmijnbouw is voornamelijk geconcentreerd in een van de minst ontwikkelde landen ter wereld, de Democratische Republiek Congo. Dit land heeft beperkte transparantie in de kobalt waardesketen, bovenop sterke bewijzen van mensenrechtenschendingen, gevaarlijke werkomstandigheden, gedwongen arbeid, en kinderarbeid [7][8]. Lithiumleveranciers moeten ethische sourcing overwegingen adresseren. Bovendien is het niet gegarandeerd dat de Lithium-ion batterij vraag altijd gedekt zal zijn [9][10].

EVs' Oplaadtechnologieën

Technologische verbeteringen betreffen zelfs EVs oplaadtechnologieën. De huidige EV oplaadtechnologieën kunnen geclassificeerd worden als plug-in, conductief en inductief.

Plug-in opladen kan bijna alle bestaande EVs opladen, maar de EV moet geparkeerd zijn en fysiek aangesloten op een energiebron. Aan de andere kant, met conductieve oplaadtechnologie, zou de EV in contact zijn met stroomlijnen via een pantograaf terwijl het beweegt, wat hoge energieoverdracht in een korte periode toestaat.

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

• Elektriciteit uit het net stuurt stroom door de zender spoel;
• De stroom genereert een magnetisch veld;
• Het magnetische veld induceert een stroom in de ontvangsspoel, afgestemd op dezelfde frequentie;

Hoewel het nog geen volwassen technologie is, kan WPT veel beperkingen overwinnen die de diffusie van EVs hebben gehinderd [12].

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

• Een verhoogd batterijbereik, wat gereduceerde bereikangst impliceert;
• Kleinere batterijen en snellere oplading, wat verhoogde mobiliteit impliceert;
• Bestuurders hoeven niet te maken te hebben met vuile en potentieel gevaarlijke kabels (regen, kabel, vandalisme, etc.), en het oplaadproces is eenvoudiger.

e-Wegen voor Draadloze Oplading

Elektrische wegen (e-Roads) kunnen gewoon een sci-fi visie lijken, maar ze komen sneller dan we denken. e-Roads laten, theoretisch, het draadloos opladen van een onbeperkt aantal EVs in-beweging toe, dus knelpunten op oplaadstations vermijden [6].

De near-field WPT technologie geïmplementeerd in e-Roads kan inductief elektriciteit leveren aan een ontvangerapparaat, met hoog vermogen maar beperkte luchtspeling afstand. Significante vooruitgang in termen van oplaadvermogen, overdrachtsafstand, efficiëntie en veiligheid van WPT systemen is gemaakt in het laatste decennium, wat de praktische implementatie aanzienlijk vooruit heeft gedreven [14]. Bovendien, kan het bedraden van wegen voor dynamische oplading, op volle schaal, duurzamer zijn dan het gebruik van grote batterijen in een menigte van elektrische voertuigen [13].

e-Weg constructietechnologieën zijn in ontwikkeling, ofwel in-situ-gebaseerd of prefabricatie-gebaseerd, en ze worden geclassificeerd als [15]:

• Gracht-gebaseerde manier (constructie op onderlaag of oppervlak-vlak);
• Micro-gracht manier (uitgraving op onderlaag alleen);
• Volledige strook vervanging (volle strook-breedte constructie op onderlaag of oppervlak-vlak);
• Vorgefabriceerde volle strook breedte (onderlaag of oppervlak-vlak).

De potentiële voordelen van de gracht-gebaseerde en micro-gracht constructieopties omvatten kortere installatieperiodes (vergeleken met volle strook breedte constructie), lager volume afvalmateriaal uitgegraven, en gemakkelijke toegang tot de e-Weg systemen voor onderhoud [16].

Inschakelende materialen voor e-Wegen

e-Wegen worden een realiteit dankzij de magnetische eigenschappen van specifieke materialen die de adoptie van WPT als EVs' oplaadsysteem mogelijk maken. Het gebruik van magnetiseerbare materialen, beton en asfalt, opent veel mogelijkheden in het transportsector [16].

"Talga" en "Betotech" oplossing om de beton geleidend te maken is mogelijk met industriestandaard cement met toevoegingen van pristine grafeen, grafeit en de silica-rijke bijproduct van ertsverwerking [17]. Deze grafeen-versterkte beton is hoogst geleidend met een lage elektrische weerstand van 0,05 ohm-cm. Bij een vergelijkbare droogte, heeft cementmortel een ontzagwekkend hoge algemene weerstand van ongeveer 1.000.000 ohm-cm.

Een interessante alternatief voor grafeen is de oplossing voorgesteld door "Magment", wat bestaat uit magnetiseerbare betonmaterialen, ofwel cement- of asfalt-gebaseerd, ontwikkeld door magnetische ferrietdeeltjes als granulaten te gebruiken, die magnetische eigenschappen verwerven wanneer een hoge-frequente elektrische stroom geïnduceerd wordt. Het is een gepatenteerde technologie die de mechanische eigenschappen van conventionele beton behoudt om volledig compatibel te zijn met conventionele wegconstructiepraktijken.

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

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

In het bijzondere geval van Magment's technologie, wordt een Diamagnetisch Metamateriaal (DM) laag onder een magnetiseerbare betonsubstraat en een Veld-Focuserende (FF) laag boven de spoel geplaatst [17].

Deze beton bestaat uit bijna 87 procent magnetiseerbare granulaten die afvalproducten zijn van de productie van keramische ferrieten en het recyclen van elektronisch schroot. Ferrieten zijn keramische materialen samengesteld uit ijzeroxiden van diverse metalelementen die in hoge mate in de natuur aanwezig zijn zoals mangaan, zink, calcium en aluminium. De opmerkelijke positieve kant is dat ferrietdeeltjes voornamelijk verkregen worden uit gerecycleerd materiaal uit de ferrietindustrie en de snel groeiende hoeveelheid elektronisch afval, hoewel hun elektromagnetische eigenschappen onbekend kunnen zijn [18].

Technologische aspecten van e-Wegen

e-Wegen zijn structureel complexer dan traditionele wegen, met name vanwege hun ingesloten technologische apparaten. De duurzaamheid en minimaal onderhoud van e-Wegen zijn cruciale factoren voor e-Weg implementatie. Het wegoppervlak moet hoge mechanische weerstand bieden tegen doorbuiging of werven. De betonnen wegen, met een prestatielevensduur van 50-60 jaar, kunnen de vereiste lange-termijn duurzaamheid voldoen. Maar e-Wegen zullen verder onderzoek vereisen voor hun optimalisatie.

De belangrijkste componenten in WPT-gebaseerde e-Weg systemen zijn de oplaadeenheid (CU) platen die gemaakt zijn van een betonmodule en energie-elektronica. Deze omvatten een oplaadsysteem, zoals conductieve spoelen en magnetische ferrieten.

Verbetering in e-Wegen' structurele integriteit is van groot belang. Dit omvat gebruik van hoge-kwaliteit coatings, spanning-ontlasting membranen of stoffen, plug joint materialen op de kritische interfaces, versterkte materialen, en gradering van asfalt overlager [15][16].

Toepassingsscenario's

De inductieve oplaadtechnologie, statisch, stationair en dynamisch, kan geadopteerd worden in een verscheidenheid aan toepassingsscenario's.

De statische oplaadtechnologie kan geadopteerd worden in autoparken, busparken op bushaltes, en vrachtvoertuigen tijdens laden of lossen. De stationaire oplaadtechnologie kan geadopteerd worden in taxis wachtend in een taxistand, bussen stoppende op bushaltes, en voertuigen stoppende op kruispunten. De dynamische oplaadtechnologie kan geadopteerd worden in snelwegen en stedelijke wegen met toegewijde oplaadstroken [2].

WPT bewijst een geldige technologie te zijn, aangezien de adoptie waarschijnlijk in de nabije toekomst zal gebeuren, met name in de sectoren openbaar vervoer en logistiek.

De kosten en autonomie van batterijen zijn nog steeds relevante beperkingen in de adoptie van de vloot van elektrische bussen en vrachtvoertuigen. Echter, dit soort voertuigen volgen altijd dezelfde paden, zodat ze vol kunnen profiteren van de WPT dynamische oplaadtechnologie. Bovendien wordt geschat dat met deze technologie, de dimensie van de batterij met tot 70% kan worden verkleind. Dit, consequent, verlaagt het totale voertuiggewicht en verlengt de batterijprestaties.

Inductie opladen stuurt al bussen in Torino, Italië, sinds 2003 en in Utrecht, Nederland, sinds 2010. Zuid-Korea, Israël en Duitsland hebben ook met succes het transportnetwerk geïmplementeerd voor de dynamische oplading van openbare elektrische bussen [12][13][19].

Waar Noorwegen zich richt op de dynamische oplading implementatie voor zwaar goederenvervoer over lange afstanden, rekening houdend met het feit dat de elektrificatie van 5% van de Noorse wegen bijna de helft van de emissies van zware voertuigen zal kappen [6].

Taxis moeten meestal in de wachtrij staan of geparkeerd zijn op strategische plekken van vliegvelden, treinstations, en hotels, om er een paar te noemen. De plug-in technologie dwingt de taxis vast te zitten in parkeren voor verschillende uren. De draadloze technologie kan deze cruciale beperking met succes overwinnen.

Oslo staat op het punt de eerste stad ter wereld te worden die een dynamische WPT implementeert, wat het opladen van elektrische taxis mogelijk maakt terwijl ze in langzame wachtrijen bij taxistanden staan [22][23].

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

Verschillende implementatieprojecten voor het elektrificeren van snelwegen zijn in ontwikkeling in verschillende delen van de wereld, zoals in Zweden binnen de context van het "Smart Road Gotland" project, en in het V.K. als resultaat van Highways England's werk.