Revolutionäre Materialien machen nachhaltige E-Straßen Realität

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

Die Einführung von EVs verspricht zahlreiche ökologische, gesellschaftliche und ökonomische Vorteile wie Minimierung von Luftschadstoffen, sauberere Stadtluft, weniger Lärmemissionen und wirtschaftlichen Aufschwung [3]. EVs können Energieverbrauch und Treibhausgasemissionen deutlich senken, besonders wenn die Energiequelle auf saubere Quellen wie Wind- und Solarenergie umgestellt wird [4][5].

Die Vorteile einer breiten EV-Einführung scheinen bemerkenswert, aber die Herausforderungen für die allgemeine Akzeptanz bleiben erheblich. Obwohl EVs kürzlich in Leistung und Reichweite stark weiterentwickelt wurden, leiden sie immer noch unter Einschränkungen wie Gewicht, Größe und Kosten der Batterien, fehlender oder unzureichender Ladeinfrastruktur, langer Ladezeiten und relativ hohen Kosten im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen [3].

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

Die Entwicklung der EV-Infrastruktur ist ein entscheidendes Thema, um die breite Akzeptanz von EVs zu erreichen. In diesem Kontext spielen elektrifizierte Straßen eine wichtige Rolle, die die Grenzen der EV-Verbreitung überwinden könnten.

Grenzen von EV-Batterien

Um die entscheidenden Einschränkungen von EVs zu lösen, scheint die Weiterentwicklung und Optimierung von EV-Batterien eine offensichtliche Lösung. Aber selbst wenn Verbesserungen in der Batterietechnologie gelingen, gibt es noch andere Herausforderungen bezüglich Klima, Umwelt oder Ressourcenzugang, die überwunden werden müssen.

Nachhaltigkeitsbedenken bei EV-Batterien sind noch nicht vollständig geklärt. Grundlegend ist zu klären, ob Lithium, Kobalt und Nickel – die Schlüsselmaterialien für Li-Ionen-Traktionsbatterien – nachhaltig gewonnen werden können, ohne die Grundannahme von EVs als Mittel zur Nachhaltigkeit zu widersprechen [6].

So ist Kobaltabbau hauptsächlich in einem der am wenigsten entwickelten Länder der Welt konzentriert, der Demokratischen Republik Kongo. Dieses Land weist begrenzte Transparenz in der Kobalt-Wertschöpfungskette auf, dazu kommen starke Beweise für Menschenrechtsverletzungen, gefährliche Arbeitsbedingungen, Zwangs- und Kinderarbeit [7][8]. Lithiumlieferanten müssen ethische Beschaffung adressieren. Zudem ist nicht garantiert, dass die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien immer gedeckt wird [9][10].

EV-Ladetechnologien

Technologische Verbesserungen betreffen auch EV-Ladetechnologien. Die aktuellen EV-Ladetechnologien lassen sich in Stecker-, leitende und induktive Laden klassifizieren.

Steckerladen kann fast alle bestehenden EVs laden, aber das Fahrzeug muss geparkt und physisch an eine Energiequelle angeschlossen werden. Bei leitendem Laden hingegen steht das EV über einen Pantografen mit Stromleitungen in Kontakt, während es fährt, was hohen Energieübertrag in kurzer Zeit ermöglicht.

Bei der moderneren induktiven Technologie, auch bekannt als Wireless Power Transfer (WPT), wird die Energie drahtlos über induktive Kopplung während der Fahrt oder bei kurzen Stopps auf das EV übertragen [2][11].
Kurz beschrieben funktioniert WPT so:

• Strom aus dem Netz sendet Strom durch die Sender-Spule;
• Der Strom erzeugt ein Magnetfeld;
• Das Magnetfeld induziert einen Strom in der Empfängerspule, die auf dieselbe Frequenz abgestimmt ist;

Obwohl es noch keine ausgereifte Technologie ist, könnte WPT viele Einschränkungen überwinden, die die Verbreitung von EVs behindert haben [12].

EVs kabelloses Laden (adaptiert von Roberts & Zarracina, 2017)

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

• Erhöhte Batteriereichweite, was Reichweitenangst reduziert;
• Kleinere Batterien und schnelleres Laden, was Mobilität erhöht;
• Fahrer müssen sich nicht mit schmutzigen und potenziell gefährlichen Kabeln (Regen, Kabel, Vandalismus etc.) herumschlagen, und der Ladevorgang ist einfacher.

Vergleichstabelle der drei gängigen EV-Ladetechnologien

E-Straßen für kabelloses Laden

Elektrische Straßen (E-Straßen) mögen wie Science-Fiction wirken, aber sie werden schneller Realität als wir denken. E-Straßen ermöglichen theoretisch das kabellose Laden einer unbegrenzten Anzahl von EVs während der Fahrt, wodurch Engpässe an Ladestationen vermieden werden [6].

Smart Coatings, Energy Harvesting, Sensoren und andere Medien. Konzept und Design von Studio Roosegaarde und Ingenieuren von Heijmans

Die Nahfeld-WPT-Technologie in E-Straßen kann induktiv Strom an ein Empfängergerät liefern, mit hoher Leistung, aber begrenztem Luftspalt. In den letzten Jahren wurden bedeutende Fortschritte bei Ladeleistung, Übertragungsdistanz, Effizienz und Sicherheit von WPT-Systemen erzielt, was die praktische Umsetzung erheblich vorantreibt [14]. Zudem könnte das Verlegen von Straßen für dynamisches Laden im großen Maßstab nachhaltiger sein als der Einsatz großer Batterien in einer Vielzahl von Elektrofahrzeugen [13].

E-Straßen-Bautechnologien sind in Entwicklung, entweder als In-situ- oder Fertigteil-basierte Installation, und werden klassifiziert als [15]:

• Grabenbasierte Methode (Bau auf Unterbau oder flächenbündig);
• Mikrograbensverfahren (Ausgrabung nur im Unterbau);
• Volle Fahrbahnerneuerung (vollständige Fahrbahnbreite auf Unterbau oder flächenbündig);
• Vorgefertigte volle Fahrbahnbreite (Unterbau oder flächenbündig).

Die potenziellen Vorteile der grabenbasierten und mikrograbenbasierten Bauoptionen umfassen kürzere Installationszeiträume (im Vergleich zur vollen Fahrbahnerneuerung), geringeres Volumen an ausgehobenem Abfallmaterial und einfacheren Zugang zu den E-Straßen-Systemen für Wartung [16].

Ermöglichende Materialien für E-Straßen

E-Straßen werden Realität dank der magnetischen Eigenschaften spezifischer Materialien, die WPT als EV-Ladesystem ermöglichen. Der Einsatz magnetisierbarer Materialien, Beton und Asphalt eröffnet viele Chancen im Verkehrssektor [16].

Die Lösung von „Talga“ und „Betotech“, Beton leitfähig zu machen, ist möglich mit industrieüblichen Zement mit Zugabe von reinem Graphen, Graphit und dem siliziumreichen Nebenprodukt der Erzverarbeitung [17]. Dieser Graphen-verstärkte Beton ist hochleitfähig mit einem niedrigen elektrischen Widerstand von 0,05 Ohm-cm. Bei ähnlicher Trockenheit weist Zementmörtel einen erstaunlich hohen allgemeinen Widerstand von ca. 1.000.000 Ohm-cm auf.

REM-Aufnahmen von Graphen (Vergrößerung 500x und 10.000x) (mit freundlicher Genehmigung von i.lab Italcementi)

Eine interessante Alternative zu Graphen ist die Lösung von „Magment“, die aus magnetisierbaren Betonmaterialien besteht, entweder zement- oder asphalbasiert, entwickelt durch Verwendung von magnetischen Ferritpartikeln als Zuschlagstoffe, die magnetische Eigenschaften erlangen, wenn ein hochfrequenter Wechselstrom induziert wird. Es ist eine patentierte Technologie, die die mechanischen Eigenschaften herkömmlichen Betons beibehält, um vollständig mit konventionellen Straßenbaupraktiken kompatibel zu sein.

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

Mit konstruierten Metamaterialien (MM) ist es möglich, die Effizienz der Senderspule durch Manipulation elektromagnetischer Wellen zu steigern.

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

Im besonderen Fall von Magments Technologie wird eine diamagnetische Metamaterial-Schicht (DM) unter einen magnetisierbaren Betonuntergrund und eine feldfokussierende (FF) Schicht über die Spule gelegt [17].

Effizienz vs. Sender-Empfänger-Spulendistanz für verschiedene Elektrofahrzeuge (mit freundlicher Genehmigung von Magment.de)

Dieser Beton besteht zu fast 87 % aus magnetisierbaren Zuschlagstoffen, die Abfallprodukte aus der Herstellung von Keramikferriten und dem Recycling von Elektronikschrott sind. Ferrite sind keramische Materialien, bestehend aus Eisenoxiden verschiedener Metalle, die in der Natur reichlich vorhanden sind, wie Mangan, Zink, Calcium und Aluminium. Die bemerkenswert positive Seite ist, dass Ferritpartikel hauptsächlich aus recyceltem Material der Ferritindustrie und der rasant wachsenden Menge an Elektronikabfall gewonnen werden, obwohl ihre elektromagnetischen Eigenschaften unbekannt sein können [18].

Ruanda E-Waste Recycling Facility

Technologische Aspekte von E-Straßen

E-Straßen sind strukturell komplexer als herkömmliche Straßen, besonders wegen ihrer eingebetteten technologischen Geräte. Die Langlebigkeit und minimale Wartung von E-Straßen sind entscheidende Faktoren für die Implementierung. Die Fahrbahnoberfläche muss hohe mechanische Widerstandsfähigkeit gegen Durchbiegung oder Spurrillen bieten. Betonstraßen mit einer Lebensdauer von 50–60 Jahren können die erforderliche langfristige Haltbarkeit erfüllen. E-Straßen erfordern jedoch weitere Forschung für ihre Optimierung.

Die wichtigsten Komponenten in WPT-basierten E-Straßen-Systemen sind die Ladeeinheits-(CU)-Platten, die aus einem Betonmodul und Leistungselektronik bestehen. Dazu gehören ein Ladesystem, wie leitende Spulen und magnetische Ferrite.

Die Verbesserung der strukturellen Integrität von E-Straßen ist von großer Bedeutung. Dazu gehören hochwertige Beschichtungen, spannungsentlastende Membranen oder Gewebe, Fugenmaterialien an kritischen Stellen, verstärkte Materialien und 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 verschiedenen Szenarien eingesetzt werden.

Statische Ladetechnologie könnte in Parkhäusern, Busparkplätzen an Bushaltestellen und Frachtfahrzeugen beim Be- und Entladen genutzt werden. Stationäre Ladetechnologie könnte bei Taxis in Warteschlangen an Taxiständen, Bussen an Haltestellen und Fahrzeugen an Kreuzungen Anwendung finden. Dynamische Ladetechnologie könnte auf Autobahnen und Stadtstraßen mit dedizierten Ladespuren eingesetzt werden [2].

WPT erweist sich als valide Technologie, deren Einführung in naher Zukunft wahrscheinlich ist, besonders im öffentlichen Verkehr und in der Logistik.

Kosten und Autonomie der Batterien sind immer noch relevante Einschränkungen bei der Einführung von Elektrobus- und Frachtfahrzeugflotten. Diese Fahrzeuge folgen jedoch immer denselben Routen, sodass sie die dynamische WPT-Ladetechnologie voll ausnutzen können. Zudem wird geschätzt, dass mit dieser Technologie die Batteriedimension um bis zu 70 % reduziert werden könnte. Dies verringert folglich das Gesamtfahrzeuggewicht und verlängert die Batterieleistung.

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

Norwegen konzentriert sich auf dynamisches Laden für schweren Güterverkehr über lange Strecken, da die Elektrifizierung von 5 % der norwegischen Straßen fast die Hälfte der Emissionen von Schwerlastfahrzeugen reduzieren würde [6].

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

Taxis müssen meist in strategischen Orten an Flughäfen, Bahnhöfen und Hotels warten oder parken. Die Steckertechnologie zwingt Taxis, stundenlang in Parkposition zu verharren. Die drahtlose Technologie könnte diese entscheidende Einschränkung erfolgreich überwinden.

Oslo steht kurz davor, die erste Stadt der Welt zu werden, die dynamisches WPT implementiert, um Elektrotaxis während sie langsam in Taxiständen vorwärtsbewegen, zu laden [22][23].

Zudem könnten im Logistiksektor Fahrzeuge wie Elektrostapler und Bodenunterstützungsgeräte (GSE) das Potenzial von WPT auf ausgewählten Routen nutzen, ohne anhalten zu müssen zum Laden [14][17].

Verschiedene Implementierungsprojekte für die Elektrifizierung von Autobahnen sind in verschiedenen Teilen der Welt in Entwicklung, wie in Schweden im Kontext des „Smart Road Gotland“-Projekts, und im U.K. als Ergebnis von Highways England’s Arbeit.

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