Достижения в области материаловедения делают электронные дороги реальностью

Доказано, что транспортный сектор вносит значительный вклад в глобальное изменение климата и выбросы CO2 [1]. Электромобили (ЭМ) считаются стратегически важными в переходе к планете с чистой энергией [2].

Внедрение электромобилей обещает принести многочисленные экологические, социальные и экономические выгоды, такие как минимизация загрязнения воздуха, более чистый городской воздух, меньшее количество шумовых выбросов и рост экономики [3]. Электромобили могут значительно снизить потребление энергии и выбросы парниковых газов, особенно когда источник энергии переключается на экологически чистые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца [4][5].

Преимущества широкого внедрения электромобилей кажутся замечательными, но проблемы всеобщего признания остаются значительными. Хотя в последнее время электромобили значительно усовершенствовались с точки зрения производительности и дальности пробега, они по-прежнему страдают от таких ограничений, как вес, размер и стоимость аккумуляторов, небольшие или отсутствующие сети зарядной инфраструктуры, длительная продолжительность зарядки и их относительно высокая стоимость. по сравнению с традиционными транспортными средствами [3].

<рисунок>

Рыночная доля полностью электрических транспортных средств во многих странах по-прежнему невелика. www.openchargemap.org

Развитие инфраструктуры электромобилей является важнейшим вопросом, который необходимо решить для обеспечения широкого распространения электромобилей. В этом контексте важную роль играют электрифицированные дороги, которые могут позволить преодолеть ограничения на распространение электромобилей.

Ограничения аккумуляторов электромобилей

Чтобы устранить критические ограничения электромобилей, дальнейшая разработка и оптимизация аккумуляторов для электромобилей, по-видимому, является одним из очевидных решений. Но предположим, что улучшения в технологии аккумуляторов действительно увенчались успехом, остаются другие проблемы, связанные с климатом, окружающей средой или доступом к ресурсам, которые еще предстоит преодолеть.

Проблемы устойчивости, связанные с батареями электромобилей, еще предстоит полностью решить. По сути, важно понять, можно ли извлекать литий, кобальт и никель, ключевые металлы, необходимые для литий-ионных тяговых аккумуляторов, устойчиво, не противореча фундаментальному предположению об электромобилях как средстве обеспечения устойчивости [6].

Например, добыча кобальта в основном сосредоточена в одной из наименее развитых стран мира — Демократической Республике Конго. Эта страна имеет ограниченную прозрачность в цепочке создания стоимости кобальта, помимо убедительных доказательств нарушений прав человека, опасных условий труда, принудительного труда и детского труда [7][8]. Поставщики лития должны учитывать этические соображения при выборе поставщиков. Кроме того, нет гарантии, что потребность в литий-ионных батареях всегда будет удовлетворена [9][10].

Технологии зарядки электромобилей

Технологические усовершенствования касаются даже технологий зарядки электромобилей. Существующие технологии зарядки электромобилей можно разделить на подключаемые, кондуктивные и индуктивные.

Подключаемая зарядка может заряжать почти все существующие электромобили, но электромобиль должен быть припаркован и физически подключен к источнику энергии. С другой стороны, с кондуктивной технологией зарядки электромобиль будет контактировать с линиями электропередач через пантограф во время движения, что обеспечивает высокую передачу энергии за короткий период времени.

В более поздней индуктивной технологии, также известной как Wireless Power Transfer (WPT) , мощность передается на электромобиль по беспроводной связи через индуктивную связь во время движения или во время коротких остановок [2][11].
Вкратце технологию БПЭ можно описать следующим образом:

• Электричество из сети посылает ток через катушку передатчика;
• Ток создает магнитное поле;
• Магнитное поле индуцирует в приемной катушке ток, настроенный на ту же частоту;

Хотя технология WPT еще не является зрелой, она может преодолеть множество ограничений, препятствующих распространению электромобилей [12].

<рисунок>

Беспроводная зарядка электромобилей (по материалам Roberts &Zarracina, 2017 г.)

Индуктивная технология может предложить множество преимуществ, таких как [13]:

• Увеличенный радиус действия батареи, что подразумевает снижение беспокойства по поводу дальности действия;
• Меньшие батареи и более быстрая зарядка, что подразумевает повышенную мобильность;
• Водителям не приходится иметь дело с грязными и потенциально опасными кабелями (дождь, кабель, вандализм и т. д.), а процесс зарядки упрощается.

<рисунок>

Сравнительная таблица трех распространенных технологий зарядки электромобилей

e-Roads для беспроводной зарядки

Электрические дороги (e-Roads) могут показаться фантастикой, но они появляются быстрее, чем мы думаем. Электронные дороги теоретически позволяют беспроводным способом заряжать неограниченное количество электромобилей во время движения, что позволяет избежать узких мест на зарядных станциях [6].

<рисунок>

Умные покрытия, сбор энергии, датчики и другие носители. Концепция и дизайн Studio Roosegaarde и инженеров Heijmans

Технология БПЭ ближнего поля, реализованная в электронных дорогах, может индуктивно подавать электроэнергию на приемное устройство с высокой мощностью, но с ограниченным воздушным зазором. За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в отношении зарядной мощности, дальности передачи, эффективности и безопасности систем БПЭ, что значительно продвинуло вперед его практическую реализацию [14]. Кроме того, проводка дорог для динамической зарядки в полном масштабе может быть более устойчивой, чем использование больших аккумуляторов во множестве электромобилей [13].

Технологии строительства электронных дорог находятся в стадии разработки либо на месте, либо на сборных установках, и они классифицируются как [15]:

• Траншейный способ (строительство на подповерхностном слое или заподлицо);
• Микротраншейный способ (выемка грунта только под землей);
• Полная замена полосы (строительство полной ширины полосы на подповерхностном слое или заподлицо с поверхностью);
• Сборные элементы на всю ширину полосы движения (подповерхностный слой или заподлицо с поверхностью).

Потенциальные преимущества вариантов строительства на основе траншей и микротраншей включают более короткие периоды установки (по сравнению со строительством с полной шириной полосы движения), меньший объем выкапываемых отходов и легкий доступ к системам электронных дорог для обслуживания [16]. ].

Вспомогательные материалы для электронных дорог

Электронные дороги становятся реальностью благодаря магнитным свойствам конкретных материалов, которые позволяют использовать БПЭ в качестве системы зарядки электромобилей. Использование намагничивающихся материалов, бетона и асфальта, открывает много возможностей в транспортной сфере [16].

Решение «Талга» и «Бетотек» для придания бетону электропроводности возможно с использованием стандартного промышленного цемента с добавками первозданного графена, графита и богатого кремнеземом побочного продукта переработки руды [17]. Этот усиленный графеном бетон обладает высокой проводимостью с низким удельным электрическим сопротивлением 0,05 Ом·см. При аналогичной сухости цементный раствор имеет поразительно высокое общее удельное сопротивление около 1 000 000 Ом·см.

<рисунок>

СЭМ-изображения графена (Mag =500x и 10 000x) (любезно предоставлено i.lab Italcementi)

Интересной альтернативой графену является решение, предложенное компанией «Магмент», состоящее из намагничивающихся бетонных материалов на основе цемента или асфальта, разработанных с использованием в качестве заполнителей частиц магнитного феррита, приобретающих магнитные свойства при пропускании высокочастотного электрического тока. индуцированный. Это запатентованная технология, которая сохраняет механические свойства обычного бетона и полностью совместима с традиционными методами дорожного строительства.

Для БПЭ требуются различные магнитные слои для управления магнитным полем, чтобы направлять поле в направлении приемника и ограничивать его по направлению к земле.

Используя инженерные метаматериалы (MM), можно добиться превосходной эффективности катушки передатчика, манипулируя электромагнитными волнами.

<рисунок>

Классификация магнитных материалов (любезно предоставлено Magment.de)

В частном случае технологии Magment слой диамагнитного метаматериала (DM) помещается под намагничивающуюся бетонную подложку, а слой фокусировки поля (FF) — над катушкой [17].

<рисунок>

Эффективность в зависимости от расстояния между передатчиком и приемной катушкой для различных электромобилей (любезно предоставлено Magment.de)

Этот бетон почти на 87 процентов состоит из намагничивающихся агрегатов, которые являются отходами производства керамических ферритов и переработки электронного лома. Ферриты представляют собой керамические материалы, состоящие из оксидов железа различных металлических элементов, широко распространенных в природе, таких как марганец, цинк, кальций и алюминий. Замечательной положительной стороной является то, что ферритовые частицы в основном получаются из переработанного материала ферритовой промышленности и быстрорастущего количества электронных отходов, хотя их электромагнитные свойства могут быть неизвестны [18].

<рисунок>

Предприятие по переработке электронных отходов в Руанде

Технологические аспекты электронных дорог

Электронные дороги структурно более сложны, чем традиционные дороги, особенно из-за встроенных в них технологических устройств. Срок службы электронных дорог и минимальное техническое обслуживание являются решающими факторами для внедрения электронных дорог. Дорожное покрытие должно обеспечивать высокую механическую устойчивость к прогибу или колееобразованию. Бетонные дороги со сроком службы 50-60 лет могут удовлетворить требования по долговечности. Но электронные дороги потребуют дальнейших исследований для их оптимизации.

Наиболее важными компонентами систем e-Road на основе БПЭ являются плиты зарядного устройства (CU), которые состоят из бетонного модуля и силовой электроники. К ним относятся системы зарядки, такие как проводящие катушки и магнитные ферриты.

Улучшение структурной целостности электронных дорог имеет большое значение. Это включает в себя использование высококачественных покрытий, мембран или тканей для снятия напряжения, материалов для штекерных соединений на критических стыках, армированных материалов и градации асфальтового покрытия [15][16].

Сценарии применения

<рисунок>

«Новый курс, Les Routes du Futur du Grand Paris», CRA-Carlo Ratti Associati

Технология индуктивной зарядки, статическая, стационарная и динамическая, может применяться в различных сценариях применения.

Технология статической зарядки может применяться на автомобильных стоянках, автобусных стоянках на автобусных станциях и грузовых транспортных средствах при погрузке или разгрузке. Стационарная технология зарядки может применяться в такси, стоящих в очереди на стоянке такси, в автобусах, останавливающихся на автобусных остановках, и в транспортных средствах, останавливающихся на перекрестках. Технологию динамической зарядки можно использовать на автомагистралях и городских дорогах с выделенными полосами для зарядки [2].

WPT демонстрирует свою эффективность, поскольку ее внедрение, скорее всего, произойдет в ближайшем будущем, особенно в сфере общественного транспорта и логистики.

Стоимость и автономность аккумуляторов по-прежнему являются существенными ограничениями при внедрении парка электрических автобусов и грузовых автомобилей. Однако такие транспортные средства всегда следуют одними и теми же маршрутами, поэтому они могут в полной мере воспользоваться преимуществами технологии динамической зарядки WPT. Более того, предполагается, что с помощью этой технологии размер батареи может быть уменьшен до 70%. Следовательно, это снижает общий вес автомобиля и увеличивает срок службы аккумулятора.

Индукционная зарядка уже питает автобусы в Турине, Италия, с 2003 г. и в Утрехте, Нидерланды, с 2010 г. Южная Корея, Израиль и Германия также успешно внедрили транспортную сеть для динамической зарядки общественных электрических автобусов. 19].

Принимая во внимание, что Норвегия сосредоточена на внедрении динамической зарядки для грузовых перевозок на большие расстояния, учитывая, что электрификация 5% норвежских дорог сократит почти половину выбросов от большегрузных транспортных средств [6].

<рисунок>

«Новый курс, Les Routes du Futur du Grand Paris», CRA-Carlo Ratti Associati

Такси обычно нужно ставить в очередь или припарковывать в стратегически важных местах аэропортов, вокзалов и отелей, и это лишь некоторые из них. Подключаемая технология заставляет такси простаивать на парковке в течение нескольких часов. Беспроводная технология может успешно преодолеть это важное ограничение.

Осло скоро станет первым городом в мире, в котором будет реализован динамичный WPT, позволяющая заряжать электротакси, пока они стоят в медленно движущихся очередях на стоянках [22][23].

Кроме того, в логистическом секторе такие транспортные средства, как электрические вилочные погрузчики и наземное вспомогательное оборудование (GSE), могут использовать потенциал WPT на выбранных маршрутах без необходимости останавливаться для подзарядки [14][17].

В разных частях мира разрабатываются различные проекты внедрения электрификации автомагистралей, например, в Швеции в рамках проекта «Умная дорога Готланд. ” проект и в Великобритании благодаря автомобильным дорогам Англии. работа.

<рисунок>

«Новый курс, Les Routes du Futur du Grand Paris», CRA-Carlo Ratti Associati