Los avances en la ciencia de los materiales están haciendo realidad las e-Roads

Se ha demostrado que el sector del transporte contribuye significativamente al cambio climático global y las emisiones de CO2 [1]. Los vehículos eléctricos (EV) se consideran de importancia estratégica en la transición hacia un planeta de energía limpia [2].

La adopción de vehículos eléctricos promete generar numerosos beneficios ambientales, sociales y económicos, como la minimización de los contaminantes del aire, un aire más limpio en la ciudad, menos emisiones de ruido y un impulso en la economía [3]. Los vehículos eléctricos pueden reducir significativamente el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero, especialmente cuando la fuente de energía se cambia a fuentes de energía limpia como la energía eólica y solar [4][5].

Los beneficios de una amplia adopción de EV parecen notables, pero los desafíos para la aceptación general siguen siendo significativos. Si bien los vehículos eléctricos se han desarrollado recientemente de manera significativa en términos de rendimiento y autonomía, todavía sufren limitaciones como el peso, el tamaño y el costo de las baterías, las redes de infraestructura de carga pequeñas o inexistentes, la larga duración de la carga y su costo relativamente alto. en comparación con los vehículos tradicionales [3].

La cuota de mercado de los vehículos totalmente eléctricos sigue siendo baja en muchos países. www.openchargemap.org

El desarrollo de las infraestructuras de los vehículos eléctricos es un tema crucial que se debe enfrentar para lograr una amplia adopción de los vehículos eléctricos. En este contexto, las carreteras electrificadas están jugando un papel importante que podría permitir superar los límites de la difusión de los vehículos eléctricos.

Limitaciones de las baterías de los vehículos eléctricos

Para resolver las limitaciones cruciales de los vehículos eléctricos, impulsar aún más el desarrollo y la optimización de las baterías de vehículos eléctricos parece ser una de las soluciones obvias. Pero supongamos que las mejoras en la tecnología de las baterías tienen éxito, todavía hay otros desafíos relacionados con el clima, el medio ambiente o el acceso a los recursos que aún no se han superado.

Las preocupaciones de sostenibilidad en torno a las baterías de los vehículos eléctricos aún no se han resuelto por completo. Fundamentalmente, es importante comprender si el litio, el cobalto y el níquel, los metales clave necesarios para las baterías de tracción de iones de litio, se pueden extraer de forma sostenible sin contradecir la suposición fundamental de los vehículos eléctricos como medio para la sostenibilidad [6].

Por ejemplo, la extracción de cobalto se concentra principalmente en uno de los países menos desarrollados del mundo, la República Democrática del Congo. Este país tiene una transparencia limitada en la cadena de valor del cobalto, más allá de la fuerte evidencia de abusos a los derechos humanos, condiciones de trabajo peligrosas, trabajo forzoso y trabajo infantil [7][8]. Los proveedores de litio deben abordar las consideraciones de abastecimiento ético. Además, no se garantiza que la demanda de baterías de iones de litio siempre esté cubierta [9][10].

Tecnologías de carga de vehículos eléctricos

Las mejoras tecnológicas afectan incluso a las tecnologías de carga de vehículos eléctricos. Las tecnologías actuales de carga de vehículos eléctricos se pueden clasificar en enchufables, conductivas e inductivas.

La carga enchufable puede cargar casi todos los vehículos eléctricos existentes, pero el vehículo eléctrico debe estar estacionado y conectado físicamente a una fuente de energía. Por otro lado, con la tecnología de carga conductiva, el EV estaría en contacto con las líneas eléctricas a través de un pantógrafo mientras se mueve, lo que permite una alta transferencia de energía en un corto período de tiempo.

En la tecnología inductiva más reciente, también conocida como Transferencia de energía inalámbrica (WPT) , la energía se transfiere de forma inalámbrica al EV a través del acoplamiento inductivo durante el viaje o durante paradas breves [2][11].
En resumen, la tecnología WPT podría describirse de la siguiente manera:

• La electricidad de la red envía corriente a través de la bobina del transmisor;
• La corriente genera un campo magnético;
• El campo magnético induce una corriente en la bobina receptora, que está sintonizada a la misma frecuencia;

Aunque todavía no es una tecnología madura, la WPT podría superar muchas limitaciones que han dificultado la difusión de los vehículos eléctricos [12].

Carga inalámbrica de vehículos eléctricos (adaptado de Roberts &Zarracina, 2017)

La tecnología inductiva puede ofrecer numerosas ventajas, como [13]:

• Una mayor autonomía de la batería, lo que implica una reducción de la ansiedad por la autonomía;
• Baterías más pequeñas y carga más rápida, lo que implica una mayor movilidad;
• Los conductores no tienen que lidiar con cables sucios y potencialmente peligrosos (lluvia, cable, vandalismo, etc.) y el proceso de carga es más sencillo.

Cuadro comparativo de las tres tecnologías de carga comunes para vehículos eléctricos

e-Roads para carga inalámbrica

Las carreteras eléctricas (e-Roads) pueden parecer solo una visión de ciencia ficción, pero están surgiendo más rápido de lo que pensamos. e-Roads permite, en teoría, cargar de forma inalámbrica un número ilimitado de vehículos eléctricos en movimiento, evitando así cuellos de botella en las estaciones de carga [6].

Recubrimientos inteligentes, recolección de energía, sensores y otros medios. Concepto y diseño de Studio Roosegaarde y los ingenieros de Heijmans

La tecnología WPT de campo cercano implementada en e-Roads puede entregar electricidad de forma inductiva a un dispositivo receptor, con alta potencia pero con una distancia de entrehierro limitada. En la última década se han realizado avances significativos en términos de potencia de carga, distancia de transferencia, eficiencia y seguridad de los sistemas TIP, lo que ha impulsado considerablemente su implementación práctica [14]. Además, cablear carreteras para carga dinámica, a gran escala, podría ser más sostenible que usar baterías grandes en una multitud de vehículos eléctricos [13].

Las tecnologías de construcción de e-Road están en desarrollo, ya sea en instalaciones in situ o basadas en prefabricación, y se clasifican como [15]:

• Forma en zanja (construcción sobre capa subterránea o nivelación superficial);
• Forma de microzanjas (excavación en el subsuelo únicamente);
• Reemplazo de carril completo (construcción de ancho de carril completo en la capa subterránea o al ras de la superficie);
• Ancho de carril completo prefabricado (capa debajo de la superficie o al ras de la superficie).

Los beneficios potenciales de las opciones de construcción basadas en zanjas y microzanjas incluyen períodos de instalación más cortos (en comparación con la construcción de ancho de carril completo), menor volumen de material de desecho excavado y facilidad de acceso a los sistemas e-Road para mantenimiento [16 ].

Materiales habilitadores para e-Roads

Los e-Roads se están convirtiendo en una realidad gracias a las propiedades magnéticas de materiales específicos que están permitiendo la adopción de WPT como sistema de carga de los vehículos eléctricos. El uso de materiales magnetizables, hormigón y asfalto, abre muchas oportunidades en el sector del transporte [16].

La solución de "Talga" y "Betotech" para hacer que el concreto sea conductivo es posible utilizando cemento estándar de la industria con adiciones de grafeno prístino, grafito y el subproducto rico en sílice del procesamiento del mineral [17]. Este hormigón mejorado con grafeno es altamente conductivo con una baja resistividad eléctrica de 0,05 ohm-cm. Con una sequedad similar, el mortero de cemento tiene una resistividad general asombrosamente alta de alrededor de 1 000 000 ohm-cm.

Imágenes SEM de grafeno (Mag =500x y 10 000x) (cortesía de i.lab Italcementi)

Una interesante alternativa al grafeno es la solución propuesta por “Magment”, que consiste en materiales de hormigón magnetizables, ya sea de base cementosa o asfáltica, desarrollados utilizando como áridos partículas magnéticas de ferrita, que adquieren propiedades magnéticas cuando se les aplica una corriente eléctrica de alta frecuencia. inducido. Es una tecnología patentada que mantiene las propiedades mecánicas del hormigón convencional para ser totalmente compatible con las prácticas convencionales de construcción de carreteras.

WPT necesita diferentes capas magnéticas para controlar el campo magnético, tanto para conducir el campo en la dirección del receptor como para restringirlo hacia el suelo.

Usando metamateriales de ingeniería (MM), es posible lograr una eficiencia superior de la bobina del transmisor mediante la manipulación de ondas electromagnéticas.

Clasificación de materiales magnéticos (cortesía de Magment.de)

En el caso particular de la tecnología de Magment, se coloca una capa de metamaterial diamagnético (DM) debajo de un sustrato de concreto magnetizable y una capa de enfoque de campo (FF) sobre la bobina [17].

Eficiencia frente a la distancia de la bobina de captación del transmisor para diferentes vehículos eléctricos (cortesía de Magment.de)

Este hormigón está compuesto en casi un 87 por ciento por áridos magnetizables que son productos de desecho de la fabricación de ferritas cerámicas y del reciclaje de chatarra electrónica. Las ferritas son materiales cerámicos compuestos por óxidos de hierro de diversos elementos metálicos muy presentes en la naturaleza como el manganeso, zinc, calcio y aluminio. El lado positivo destacable es que las partículas de ferrita se obtienen principalmente del material reciclado de la industria de la ferrita y de la creciente cantidad de desechos electrónicos, aunque es posible que se desconozcan sus propiedades electromagnéticas [18].

Instalación de reciclaje de desechos electrónicos de Ruanda

Aspectos tecnológicos de e-Roads

Las e-Roads son estructuralmente más complejas que las carreteras tradicionales, especialmente debido a sus dispositivos tecnológicos integrados. La durabilidad y el mantenimiento mínimo de e-Roads son factores cruciales para la implementación de e-Road. La superficie de la carretera debe proporcionar una alta resistencia mecánica a la deflexión o surco. Los caminos de concreto, con una vida útil de 50 a 60 años, pueden satisfacer la durabilidad a largo plazo requerida. Pero e-Roads requerirá más investigación para su optimización.

Los componentes más importantes de los sistemas e-Road basados ​​en WPT son las losas de la unidad de carga (CU) que están hechas de un módulo de hormigón y la electrónica de potencia. Estos incluyen un sistema de carga, como bobinas conductoras y ferritas magnéticas.

La mejora en la integridad estructural de e-Roads es de gran importancia. Esto incluye el uso de revestimientos de alta calidad, membranas o telas para aliviar la tensión, materiales para juntas de obturación en las interfaces críticas, materiales reforzados y gradación de capas de asfalto [15][16].

Escenarios de aplicación

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

La tecnología de carga inductiva, estática, estacionaria y dinámica, podría adoptarse en una variedad de escenarios de aplicación.

La tecnología de carga estática podría adoptarse en el estacionamiento de automóviles, el estacionamiento de autobuses en las estaciones de autobuses y los vehículos de carga durante la carga o descarga. La tecnología de carga estacionaria podría adoptarse en taxis que hacen cola en una parada de taxis, autobuses que se detienen en las paradas de autobús y vehículos que se detienen en los cruces. La tecnología de carga dinámica podría adoptarse en autopistas y vías urbanas con carriles de carga exclusivos [2].

WPT está demostrando ser una tecnología válida, ya que es muy probable que su adopción se produzca en un futuro próximo, especialmente en los campos del transporte público y la logística.

El coste y la autonomía de las baterías siguen siendo limitaciones relevantes en la adopción de la flota de autobuses y vehículos de carga eléctricos. Sin embargo, este tipo de vehículos siempre sigue los mismos caminos, para que puedan aprovechar al máximo la tecnología de carga dinámica WPT. Además, se estima que con esta tecnología se podría reducir el tamaño de la batería hasta en un 70%. Esto, en consecuencia, reduce el peso total del vehículo y prolonga el rendimiento de la batería.

La carga por inducción ya alimenta autobuses en Turín, Italia, desde 2003 y en Utrecht, Países Bajos, desde 2010. Corea del Sur, Israel y Alemania también han implementado con éxito la red de transporte para la carga dinámica de autobuses eléctricos públicos [12][13][ 19].

Mientras que Noruega se está enfocando en la implementación de carga dinámica para el transporte de mercancías pesadas en largas distancias, considerando que la electrificación del 5 % de las carreteras noruegas reducirá casi la mitad de las emisiones de los vehículos pesados ​​[6].

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

Los taxis generalmente deben estar en fila o estacionados en lugares estratégicos de aeropuertos, estaciones de tren y hoteles, por nombrar algunos. La tecnología enchufable obliga a los taxis a quedarse atascados en el estacionamiento durante varias horas. La tecnología inalámbrica podría superar con éxito esta limitación crucial.

Oslo está a punto de convertirse en la primera ciudad del mundo en implementar un WPT dinámico, permitir la carga de taxis eléctricos mientras se encuentran en colas de movimiento lento en las paradas de taxis [22][23].

Además, en el sector logístico, vehículos como las carretillas elevadoras eléctricas y los equipos de apoyo en tierra (GSE) podrían aprovechar el potencial del WPT a través de rutas seleccionadas sin necesidad de detenerse para cargar [14][17].

Se están desarrollando diferentes proyectos de implementación para la electrificación de carreteras en diferentes partes del mundo, como en Suecia en el contexto de la "Smart Road Gotland ” proyecto, y en el Reino Unido como resultado de Highways England el trabajo de.

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