Революционные материалы делают устойчивые электро-дороги реальностью

Транспортный сектор показан как значительный вкладчик в глобальное изменение климата и выбросы CO2 [1]. Электромобили (EV) считаются стратегически важными в переходе к планете чистой энергии [2].

Принятие EV обещает принести многочисленные экологические, социальные и экономические выгоды, такие как минимизация загрязнителей воздуха, более чистый городской воздух, меньше шумовых выбросов и стимул экономике [3]. EV могут значительно снизить потребление энергии и выбросы парниковых газов, особенно когда источник энергии смещается к чистым источникам, как ветровая и солнечная энергия [4][5].

Выгоды широкого принятия EV кажутся замечательными, но вызовы к общему принятию остаются значительными. Хотя EV недавно значительно развились с точки зрения производительности и запаса хода, они все еще страдают от ограничений, таких как вес, размер и стоимость батарей, малая или несуществующая инфраструктура зарядных сетей, длительная зарядка и их относительно высокая стоимость по сравнению с традиционными автомобилями [3].

Рыночная доля полностью электрических автомобилей все еще низка во многих странах. www.openchargemap.org

Развитие инфраструктуры EV — критически важный вопрос для достижения широкого принятия EV. В этом контексте электрифицированные дороги играют важную роль, которая может позволить преодолеть пределы диффузии EV.

Ограничения батарей EV

Чтобы решить критические ограничения EV, дальнейшее развитие и оптимизация батарей EV кажется одним из очевидных решений. Но предположим, что улучшения в технологии батарей удастся, все равно остаются другие вызовы, связанные с климатом, средой или доступом к ресурсам, которые еще нужно преодолеть.

Вопросы устойчивости вокруг батарей EV все еще не полностью решены. Фундаментально важно понять, можно ли литий, кобальт и никель, ключевые металлы для литий-ионных тяговых батарей, добывать устойчиво без противоречения фундаментальному предположению EV как средства к устойчивости [6].

Например, добыча кобальта в основном сосредоточена в одной из наименее развитых стран мира, Демократической Республике Конго. В этой стране ограниченная прозрачность в цепочке создания стоимости кобальта, над чем есть сильные доказательства нарушений прав человека, опасных условий труда, принудительного труда и детского труда [7][8]. Поставщики лития должны решать этические вопросы поставок. Кроме того, не гарантировано, что спрос на литий-ионные батареи всегда будет покрыт [9][10].

Технологии зарядки EV

Технологические улучшения касаются даже технологий зарядки EV. Текущие технологии зарядки EV можно классифицировать как проводные (plug-in), контактные (conductive) и индукционные (inductive).

Проводная зарядка может заряжать почти все существующие EV, но EV должен быть припаркован и физически подключен к источнику энергии. С другой стороны, с контактной технологией зарядки EV будет в контакте с линиями питания через пантограф во время движения, что позволяет высокую передачу энергии за короткий период времени.

В более современной индукционной технологии, также известной как Беспроводная передача энергии (WPT), энергия передается беспроводно к EV через индуктивное сцепление во время движения или во время коротких остановок [2][11].
Кратко, технология WPT может быть описана так:

• Электричество из сети отправляет ток через передающую катушку;
• Ток генерирует магнитное поле;
• Магнитное поле индуцирует ток в принимающей катушке, настроенной на ту же частоту;

Хотя это все еще не зрелая технология, WPT может преодолеть многие ограничения, препятствовавшие диффузии EV [12].

Беспроводная зарядка EV (адаптировано из Roberts & Zarracina, 2017)

Индукционная технология может предлагать многочисленные преимущества, такие как [13]:

• Увеличенный запас хода батареи, что подразумевает снижение тревоги по поводу запаса хода;
• Меньшие батареи и более быстрая зарядка, что подразумевает повышенную подвижность;
• Водителям не нужно иметь грязные и потенциально опасные кабели (дождь, кабель, вандализм и т.д.), и процесс зарядки становится проще.

Сравнительная таблица трех распространенных технологий зарядки EV

Электро-дороги для беспроводной зарядки

Электрические дороги (e-Roads) могут казаться просто фантастикой, но они становятся реальностью быстрее, чем мы думаем. e-Roads теоретически позволяют беспроводно заряжать неограниченное количество EV в движении, избегая узких мест на зарядных станциях [6].

Умные покрытия, сбор энергии, датчики и другие медиа. Концепция и дизайн Studio Roosegaarde и инженеры из Heijmans

Технология ближнего поля WPT, реализованная в e-Roads, может индуктивно доставлять электричество к приемному устройству с высокой мощностью, но ограниченным воздушным зазором. Значительный прогресс в плане зарядной мощности, дистанции передачи, эффективности и безопасности WPT-систем был сделан за последнее десятилетие, значительно продвигая вперед их практическую реализацию [14]. Кроме того, прокладка дорог для динамической зарядки в полном масштабе может быть более устойчивой, чем использование больших батарей во множестве электромобилей [13].

Технологии строительства e-Roads находятся в разработке, либо in-situ, либо префабрикационные, и классифицируются как [15]:

• Траншейный способ (строительство на подстилающем слое или вровень поверхности);
• Микротраншейный способ (экскавация только на подстилающем слое);
• Полная замена полосы (строительство полной ширины полосы на подстилающем слое или вровень поверхности);
• Префабрикованная полная ширина полосы (подстилающий слой или вровень поверхности).

Потенциальные преимущества траншейного и микротраншейного вариантов строительства включают более короткие сроки установки (по сравнению с полноширинным строиством), меньший объем выеманных отходов и легкий доступ к системам e-Roads для обслуживания [16].

Материалы-посредники для e-Roads

e-Roads становятся реальностью благодаря магнитным свойствам специфических материалов, позволяющих внедрение WPT как системы зарядки EV. Использование намагничиваемых материалов, бетона и асфальта открывает много возможностей в транспортном секторе [16].

Решение «Talga» и «Betotech» для сделать бетон проводящим возможно с использованием стандартного цемента с добавками pristine графена, графита и силицистого побочного продукта переработки руды [17]. Этот графен-усиленный бетон высокопроводящий с низким электрическим сопротивлением 0,05 Ом·см. При похожей сухости цементный раствор имеет удивительно высокое общее сопротивление около 1 000 000 Ом·см.

SEM-изображения графена (увеличение 500x и 10 000x) (courtesy of i.lab Italcementi)

Интересной альтернативой графену является решение, предложенное «Magment», состоящее из намагничиваемых бетонных материалов, либо цементных, либо асфальтовых, разработанных с использованием магнитных ферритных частиц в качестве заполнителей, которые приобретают магнитные свойства при индукции высокочастотного электрического тока. Это запатентованная технология, сохраняющая механические свойства обычного бетона для полной совместимости с обычными практиками дорожного строительства.

WPT требует разных магнитных слоев для управления магнитным полем: как для направления поля в сторону приемника, так и для ограничения его в сторону земли.

Используя инженерированные метаматериалы (MM), возможно достичь превосходной эффективности передающей катушки за счет манипулирования электромагнитными волнами.

Классификация магнитных материалов (courtesy of Magment.de)

В частности случае технологии Magment, слой диамагнитного метаматериала (DM) помещается под намагничиваемым бетонным подложкой и слой фокусировки поля (FF) над катушкой [17].

Эффективность vs. расстояние передающей-приемной катушки для разных электромобилей (courtesy of Magment.de)

Этот бетон состоит почти на 87 процентов из намагничиваемых заполнителей, которые являются отходами производства керамических ферритов и переработки электронного лома. Ферриты — керамические материалы, составленные из оксидов железа различных металлических элементов, широко встречающихся в природе, таких как марганец, цинк, кальций и алюминий. Замечательная положительная сторона в том, что ферритные частицы в основном получаются из переработанного материала ферритной промышленности и быстро растущего количества электронных отходов, хотя их электромагнитные свойства могут быть неизвестны [18].

Руандское предприятие по переработке электронных отходов

Технологические аспекты e-Roads

e-Roads структурно сложнее традиционных дорог, особенно из-за встроенных технологических устройств. Долговечность и минимальное обслуживание e-Roads — критические факторы для их внедрения. Дорожное покрытие должно обеспечивать высокую механическую устойчивость к прогну или колеям. Бетонные дороги, со сроком службы 50–60 лет, могут удовлетворить требуемую долгосрочную долговечность. Но e-Roads потребуют дальнейших исследований для их оптимизации.

Самые важные компоненты в WPT-базированных системах e-Roads — это платы зарядных блоков (CU), сделанные из бетонного модуля и силовой электроники. Они включают систему зарядки, такую как индуктивные катушки и магнитные ферриты.

Улучшение структурной целостности e-Roads имеет большое значение. Это включает использование высококачественных покрытий, мембран или тканей для снятия напряжений, материалов для стыков на критических интерфейсах, армированных материалов и градировки асфальтового настила [15][16].

Сценарии применения

«New Deal, Les Routes du Futur du Grand Paris», CRA-Carlo Ratti Associati

Индукционная технология зарядки — статическая, стационарная и динамическая — может быть принята в различных сценариях применения.

Статическая технология зарядки может быть принята на парковках автомобилей, парковках автобусов на автобусных станциях и грузовиках при погрузке или разгрузке. Стационарная технология зарядки может быть принята в такси, стоящих в очереди на таксопарке, автобусах на остановках и автомобилях на перекрестках. Динамическая технология зарядки может быть принята на автомагистралях и городских дорогах с выделенными зарядными полосами [2].

WPT демонстрируется как валидная технология, так как ее принятие, скорее всего, произойдет в ближайшем будущем, особенно в сфере общественного транспорта и логистики.

Стоимость и автономность батарей все еще являются существенными ограничениями в принятии парка электробусов и грузовых автомобилей. Однако такие автомобили всегда следуют одним и тем же путям, поэтому они могут в полной мере использовать технологию динамической зарядки WPT. Кроме того, оценивается, что с этой технологией размер батареи может быть уменьшен до 70%. Это, следовательно, снижает общий вес автомобиля и продлевает производительность батареи.

Индукционная зарядка уже питает автобусы в Турине, Италия, с 2003 года и в Утрехте, Нидерланды, с 2010 года. Южная Корея, Израиль и Германия также успешно внедрили транспортную сеть для динамической зарядки общественных электробусов [12][13][19].

В то время как Норвегия фокусируется на внедрении динамической зарядки для тяжелого грузового транспорта на большие расстояния, учитывая, что электрификация 5% норвежских дорог сократит почти половину выбросов от тяжелой техники [6].

«New Deal, Les Routes du Futur du Grand Paris», CRA-Carlo Ratti Associati

Такси обычно нужно ставить в очередь или парковать в стратегических местах аэропортов, вокзалов и отелей, чтобы назвать несколько. Проводная технология заставляет такси застревать на парковке на несколько часов. Беспроводная технология может успешно преодолеть это критическое ограничение.

Осло собирается стать первым городом в мире, внедряющим динамическую WPT, позволяя заряжать электрические такси пока они медленно движутся в очередях на таксопарках [22][23].

Более того, в логистическом секторе транспортные средства, такие как электрические погрузчики и наземное обслуживающее оборудование (GSE), могут использовать потенциал WPT через выбранные маршруты без необходимости останавливаться для зарядки [14][17].

Различные проекты внедрения для электрификации автомагистралей находятся в разработке в разных частях мира, как в Швеции в контексте проекта «Smart Road Gotland», и в Великобритании в результате работы Highways England.

«New Deal, Les Routes du Futur du Grand Paris», CRA-Carlo Ratti Associati