Fortschritte in der Materialwissenschaft machen E-Roads zur Realität

Der Verkehrssektor trägt nachweislich erheblich zum globalen Klimawandel und zu den CO2-Emissionen bei [1]. Elektrofahrzeuge (EVs) gelten als strategisch wichtig beim Übergang zu einem sauberen Energieplaneten [2].

Die Einführung von Elektrofahrzeugen verspricht zahlreiche ökologische, gesellschaftliche und wirtschaftliche Vorteile wie die Minimierung von Luftschadstoffen, sauberere Stadtluft, weniger Lärmemissionen und eine Ankurbelung der Wirtschaft [3]. Elektrofahrzeuge können den Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen erheblich reduzieren, insbesondere wenn die Energiequelle auf saubere Energiequellen wie Wind- und Solarenergie umgestellt wird [4][5].

Die Vorteile einer breiten Einführung von Elektrofahrzeugen scheinen bemerkenswert, aber die Herausforderungen für die allgemeine Akzeptanz bleiben erheblich. Obwohl Elektrofahrzeuge in letzter Zeit sowohl hinsichtlich Leistung als auch Reichweite erheblich weiterentwickelt wurden, leiden sie immer noch unter Einschränkungen wie Gewicht, Größe und Kosten der Batterien, kleinen oder nicht vorhandenen Ladeinfrastrukturnetzen, langer Ladedauer und ihren relativ hohen Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen [3].

Der Marktanteil vollelektrischer Fahrzeuge ist in vielen Ländern noch gering. www.openchargemap.org

Die Entwicklung der Infrastrukturen für Elektrofahrzeuge ist ein entscheidendes Thema, um die breite Akzeptanz der Elektrofahrzeuge zu erreichen. In diesem Zusammenhang spielen elektrifizierte Straßen eine wichtige Rolle, die es ermöglichen könnten, die Grenzen der Verbreitung von Elektrofahrzeugen zu überwinden.

Einschränkungen der Batterien von Elektrofahrzeugen

Um die entscheidenden Einschränkungen von Elektrofahrzeugen zu lösen, scheint es naheliegend, die Entwicklung und Optimierung von Elektrofahrzeugbatterien weiter voranzutreiben. Aber angenommen, dass Verbesserungen in der Batterietechnologie erfolgreich sind, gibt es noch andere Herausforderungen in Bezug auf Klima, Umwelt oder Zugang zu Ressourcen, die noch überwunden werden müssen.

Nachhaltigkeitsbedenken rund um die Batterien von Elektrofahrzeugen müssen noch vollständig ausgeräumt werden. Grundsätzlich ist es wichtig zu verstehen, ob Lithium, Kobalt und Nickel, die für Li-Ionen-Traktionsbatterien erforderlichen Schlüsselmetalle, nachhaltig gewonnen werden können, ohne der Grundannahme von Elektrofahrzeugen als Mittel zur Nachhaltigkeit zu widersprechen [6].

Beispielsweise konzentriert sich der Kobaltabbau hauptsächlich auf eines der am wenigsten entwickelten Länder der Welt, die Demokratische Republik Kongo. Dieses Land hat eine begrenzte Transparenz in der Kobalt-Wertschöpfungskette, abgesehen von starken Beweisen für Menschenrechtsverletzungen, gefährliche Arbeitsbedingungen, Zwangsarbeit und Kinderarbeit [7][8]. Lithiumlieferanten müssen sich mit ethischen Beschaffungserwägungen befassen. Außerdem ist nicht garantiert, dass der Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien immer gedeckt ist [9][10].

Ladetechnologien für Elektrofahrzeuge

Technologische Verbesserungen betreffen sogar die Ladetechnologien für Elektrofahrzeuge. Die aktuellen EV-Ladetechnologien können als Plug-in, konduktiv und induktiv klassifiziert werden.

Das Plug-in-Laden kann fast alle vorhandenen Elektrofahrzeuge aufladen, aber das Elektrofahrzeug muss geparkt und physisch an eine Energiequelle angeschlossen sein. Auf der anderen Seite wäre das Elektrofahrzeug bei der konduktiven Ladetechnologie während der Fahrt über einen Stromabnehmer mit Stromleitungen in Kontakt, was eine hohe Energieübertragung in kurzer Zeit ermöglicht.

In der neueren induktiven Technologie, auch bekannt als Wireless Power Transfer (WPT) , wird die Energie während der Fahrt oder bei kurzen Stopps per induktiver Kopplung drahtlos an das Elektrofahrzeug übertragen [2][11].
Kurz könnte die WPT-Technologie wie folgt beschrieben werden:

Strom aus dem Netz sendet Strom durch die Sendespule;
Der Strom erzeugt ein Magnetfeld;
Das Magnetfeld induziert in der Empfangsspule einen Strom, der auf die gleiche Frequenz abgestimmt ist;

Obwohl es sich noch nicht um eine ausgereifte Technologie handelt, könnte WPT viele Einschränkungen überwinden, die die Verbreitung von Elektrofahrzeugen behindert haben [12].

Kabelloses Laden von Elektrofahrzeugen (nach Roberts &Zarracina, 2017)

Die induktive Technologie kann zahlreiche Vorteile bieten, wie z. B. [13]:

Eine erhöhte Batteriereichweite, die eine geringere Reichweitenangst impliziert;
Kleinere Akkus und schnelleres Aufladen, was mehr Mobilität impliziert;
Fahrer müssen sich nicht mit schmutzigen und möglicherweise gefährlichen Kabeln herumschlagen (Regen, Kabel, Vandalismus usw.) und der Ladevorgang ist einfacher.

Vergleichstabelle der drei gängigen Ladetechnologien für Elektrofahrzeuge

E-Roads für kabelloses Laden

Elektrische Straßen (e-Roads) scheinen nur eine Science-Fiction-Vision zu sein, aber sie entstehen schneller als wir denken. E-Roads ermöglichen es theoretisch, eine unbegrenzte Anzahl von Elektrofahrzeugen während der Fahrt drahtlos aufzuladen und so Engpässe an Ladestationen zu vermeiden [6].

Intelligente Beschichtungen, Energy Harvesting, Sensoren und andere Medien. Konzept und Design von Studio Roosegaarde und den Ingenieuren von Heijmans

Die in e-Roads implementierte Nahfeld-WPT-Technologie kann induktiv Strom an ein Empfängergerät liefern, mit hoher Leistung, aber begrenztem Luftspaltabstand. In den letzten zehn Jahren wurden erhebliche Fortschritte in Bezug auf Ladeleistung, Übertragungsdistanz, Effizienz und Sicherheit von WPT-Systemen erzielt, die ihre praktische Umsetzung erheblich vorangetrieben haben [14]. Darüber hinaus könnte die Verkabelung von Straßen für dynamisches Laden in vollem Umfang nachhaltiger sein als die Verwendung großer Batterien in einer Vielzahl von Elektrofahrzeugen [13].

E-Road-Bautechnologien befinden sich in der Entwicklung, entweder in in-situ-basierten oder vorfertigungsbasierten Installationen, und sie sind klassifiziert als [15]:

Grabenbasierte Bauweise (Bau auf Untergrundschicht oder oberflächenbündig);
Mikrograbenweg (Aushub nur unter der Oberfläche);
Vollständiger Fahrstreifenersatz (voller Fahrstreifenaufbau auf Untergrundschicht oder oberflächenbündig);
Vorgefertigte volle Fahrbahnbreite (Untergrund oder oberflächenbündig).

Zu den potenziellen Vorteilen der grabenbasierten und mikrograbenbasierten Konstruktionsoptionen gehören kürzere Installationszeiträume (im Vergleich zur Konstruktion mit voller Fahrbahnbreite), ein geringeres Volumen an ausgehobenem Abfallmaterial und ein einfacher Zugang zu den e-Road-Systemen für die Wartung [16 ].

Befähigermaterialien für E-Roads

E-Roads werden dank der magnetischen Eigenschaften bestimmter Materialien, die die Einführung von WPT als Ladesystem für Elektrofahrzeuge ermöglichen, Realität. Der Einsatz von magnetisierbaren Materialien, Beton und Asphalt, eröffnet viele Möglichkeiten im Verkehrssektor [16].

Die „Talga“- und „Betotech“-Lösung, um den Beton leitfähig zu machen, ist mit Industriestandardzement mit Zusätzen von reinem Graphen, Graphit und dem kieselsäurereichen Nebenprodukt der Erzverarbeitung möglich [17]. Dieser mit Graphen angereicherte Beton ist hochgradig leitfähig mit einem niedrigen elektrischen Widerstand von 0,05 Ohm-cm. Zementmörtel hat bei ähnlicher Trockenheit einen erstaunlich hohen allgemeinen Widerstand von etwa 1.000.000 Ohm-cm.

SEM-Bilder von Graphen (Mag =500x und 10.000x) (mit freundlicher Genehmigung von i.lab Italcementi)

Eine interessante Alternative zu Graphen ist die von „Magment“ vorgeschlagene Lösung, die aus magnetisierbaren Betonmaterialien besteht, entweder auf Zement- oder Asphaltbasis, entwickelt unter Verwendung von magnetischen Ferritpartikeln als Aggregate, die magnetische Eigenschaften erhalten, wenn ein hochfrequenter elektrischer Strom fließt induziert. Es handelt sich um eine patentierte Technologie, die die mechanischen Eigenschaften von herkömmlichem Beton beibehält, um vollständig mit herkömmlichen Straßenbaupraktiken kompatibel zu sein.

WPT benötigt verschiedene magnetische Schichten zur Steuerung des Magnetfelds, sowohl um das Feld in Richtung des Empfängers zu leiten als auch um es zum Boden hin zu begrenzen.

Durch die Verwendung von technischen Metamaterialien (MM) ist es möglich, eine überlegene Effizienz der Sendespule durch Manipulation elektromagnetischer Wellen zu erreichen.

Klassifizierung magnetischer Materialien (mit freundlicher Genehmigung von Magment.de)

Im speziellen Fall der Magment-Technologie wird eine Schicht aus diamagnetischem Metamaterial (DM) unter ein magnetisierbares Betonsubstrat und eine feldfokussierende (FF) Schicht über die Spule gelegt [17].

Wirkungsgrad vs. Abstand Sender-Aufnehmerspule für verschiedene Elektrofahrzeuge (mit freundlicher Genehmigung von Magment.de)

Dieser Beton besteht zu fast 87 Prozent aus magnetisierbaren Gesteinskörnungen, die Abfallprodukte aus der Herstellung von Keramikferriten und dem Recycling von Elektroschrott sind. Ferrite sind keramische Materialien, die aus Eisenoxiden verschiedener in der Natur stark vorkommender Metallelemente wie Mangan, Zink, Calcium und Aluminium bestehen. Die bemerkenswerte positive Seite ist, dass Ferritpartikel hauptsächlich aus recyceltem Material aus der Ferritindustrie und der schnell wachsenden Menge an Elektroschrott gewonnen werden, obwohl ihre elektromagnetischen Eigenschaften möglicherweise unbekannt sind [18].

Elektroschrott-Recyclinganlage in Ruanda

Technologische Aspekte von E-Roads

E-Roads sind strukturell komplexer als herkömmliche Straßen, insbesondere aufgrund ihrer eingebetteten technologischen Geräte. Die Haltbarkeit und minimale Wartung von e-Roads sind entscheidende Faktoren für die Implementierung von e-Roads. Die Straßenoberfläche muss einen hohen mechanischen Widerstand gegen Durchbiegung oder Spurrillen bieten. Die Betonstraßen mit einer Lebensdauer von 50-60 Jahren können die geforderte Langzeithaltbarkeit erfüllen. Aber e-Roads erfordern weitere Forschung für ihre Optimierung.

Die wichtigsten Komponenten in WPT-basierten E-Road-Systemen sind die aus einem Betonmodul bestehenden Ladeeinheiten (CU)-Platten und die Leistungselektronik. Dazu gehören ein Ladesystem wie leitfähige Spulen und magnetische Ferrite.

Die Verbesserung der strukturellen Integrität von e-Roads ist von großer Bedeutung. Dazu gehören die Verwendung hochwertiger Beschichtungen, spannungsabbauender Membranen oder Gewebe, Steckverbindungsmaterialien an den kritischen Schnittstellen, verstärkte Materialien und die Abstufung der Asphaltdeckschicht [15][16].

Anwendungsszenarien

„New Deal, Les Routes du Futur du Grand Paris“, CRA-Carlo Ratti Associati

Die induktive Ladetechnologie, statisch, stationär und dynamisch, könnte in einer Vielzahl von Anwendungsszenarien eingesetzt werden.

Die statische Ladetechnologie könnte beim Parken von Autos, beim Parken von Bussen an Busbahnhöfen und beim Be- oder Entladen von Frachtfahrzeugen eingesetzt werden. Die stationäre Ladetechnologie könnte in Taxis, die an einem Taxistand anstehen, Bussen, die an Bushaltestellen halten, und Fahrzeugen, die an Kreuzungen halten, eingesetzt werden. Die dynamische Ladetechnologie könnte auf Autobahnen und Stadtstraßen mit speziellen Ladespuren eingesetzt werden [2].

WPT erweist sich als bewährte Technologie, da ihre Übernahme höchstwahrscheinlich in naher Zukunft erfolgen wird, insbesondere in den Bereichen öffentlicher Verkehr und Logistik.

Die Kosten und die Autonomie von Batterien sind immer noch relevante Einschränkungen bei der Einführung der Flotte von Elektrobussen und Frachtfahrzeugen. Diese Art von Fahrzeugen fährt jedoch immer die gleichen Wege, damit sie die Vorteile der dynamischen WPT-Ladetechnologie voll ausschöpfen können. Darüber hinaus wird geschätzt, dass mit dieser Technologie die Abmessungen der Batterie um bis zu 70 % reduziert werden könnten. Dadurch wird das Gesamtgewicht des Fahrzeugs reduziert und die Batterieleistung verlängert.

Induktionsladung versorgt bereits seit 2003 Busse in Turin, Italien, und seit 2010 in Utrecht, Niederlande. Südkorea, Israel und Deutschland haben ebenfalls erfolgreich das Verkehrsnetz für das dynamische Laden öffentlicher Elektrobusse implementiert [12][13][12]. 19].

Dagegen konzentriert sich Norwegen auf die Einführung dynamischer Gebühren für den Schwerlasttransport über lange Strecken, wenn man bedenkt, dass die Elektrifizierung von 5 % der norwegischen Straßen fast die Hälfte der Emissionen von Schwerlastfahrzeugen einsparen wird [6].

„New Deal, Les Routes du Futur du Grand Paris“, CRA-Carlo Ratti Associati

Taxis müssen normalerweise an strategischen Orten von Flughäfen, Bahnhöfen und Hotels anstehen oder geparkt werden, um nur einige zu nennen. Die Plug-in-Technologie zwingt die Taxis dazu, mehrere Stunden auf dem Parkplatz zu stehen. Die drahtlose Technologie konnte diese entscheidende Einschränkung erfolgreich überwinden.

Oslo ist dabei, die erste Stadt der Welt zu werden, die eine dynamische WPT einführt, Ermöglichung des Ladens von Elektrotaxis, während sie sich in langsamen Warteschlangen an Taxiständen befinden [22][23].

Darüber hinaus könnten im Logistiksektor Fahrzeuge wie Elektrostapler und Ground Support Equipment (GSE) das Potenzial des WPT auf ausgewählten Strecken nutzen, ohne zum Aufladen anhalten zu müssen [14][17].

Verschiedene Implementierungsprojekte zur Elektrifizierung von Autobahnen werden in verschiedenen Teilen der Welt entwickelt, wie in Schweden im Rahmen des „Smart Road Gotland“. ” Projekt, und in Großbritannien infolge von Highways England s Arbeit.

„New Deal, Les Routes du Futur du Grand Paris“, CRA-Carlo Ratti Associati

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