Materiales revolucionarios hacen realidad las e-carreteras sostenibles

El sector del transporte contribuye significativamente al cambio climático global y emisiones de CO₂ [1]. Los vehículos eléctricos (VE) se consideran de importancia estratégica en la transición hacia un planeta de energía limpia [2].

La adopción de VE promete numerosos beneficios ambientales, sociales y económicos como minimización de contaminantes atmosféricos, aire urbano más limpio, menos emisiones de ruido e impulso económico [3]. Los VE pueden reducir significativamente el consumo de energía y emisiones de gases de efecto invernadero, especialmente cuando la fuente de energía cambia a fuentes limpias como eólica y solar [4][5].

Los beneficios de una amplia adopción de VE parecen notables, pero los retos para su aceptación general siguen siendo significativos. Aunque los VE se han desarrollado recientemente en rendimiento y autonomía, aún sufren limitaciones como peso, tamaño y coste de baterías, infraestructura de carga pequeña o inexistente, larga duración de carga y coste relativamente alto frente a vehículos tradicionales [3].

El desarrollo de infraestructuras de VE es crucial para lograr su adopción masiva. En este contexto, las carreteras electrificadas juegan un papel importante que podría superar los límites a la difusión de VE.

Limitaciones de las baterías de VE

Para resolver las limitaciones cruciales de los VE, impulsar el desarrollo y optimización de baterías parece una solución obvia. Pero supongamos que las mejoras en tecnología de baterías tienen éxito, aún quedan otros retos relacionados con clima, medio ambiente o acceso a recursos por superar.

Las preocupaciones de sostenibilidad sobre baterías de VE están por resolver. Fundamentalmente, es importante entender si litio, cobalto y níquel, metales clave para baterías de iones de litio, pueden extraerse sosteniblemente sin contradecir la premisa de los VE como medio de sostenibilidad [6].

Por ejemplo, la minería de cobalto se concentra en uno de los países menos desarrollados, la República Democrática del Congo. Este país tiene transparencia limitada en la cadena de valor del cobalto, además de fuertes evidencias de abusos de derechos humanos, condiciones peligrosas, trabajo forzoso e infantil [7][8]. Los proveedores de litio deben abordar consideraciones de abastecimiento ético. Además, no está garantizado que la demanda de baterías de iones de litio siempre se cubra [9][10].

Tecnologías de carga de VE

Las mejoras tecnológicas afectan incluso a tecnologías de carga de VE. Las tecnologías actuales de carga de VE pueden clasificarse como enchufe, conductiva e inductiva.

La carga por enchufe puede cargar casi todos los VE existentes, pero el VE debe estar aparcado y físicamente conectado a una fuente de energía. Por otro lado, con tecnología de carga conductiva, el VE contactaría con líneas de energía mediante pantógrafo mientras se mueve, permitiendo alta transferencia de energía en poco tiempo.

En la más reciente tecnología inductiva, también conocida como Transferencia Inalámbrica de Potencia (WPT), la energía se transfiere inalámbricamente al VE mediante acoplamiento inductivo mientras circula o en paradas cortas [2][11].
Brevemente, la tecnología WPT puede describirse así:

• La electricidad de la red envía corriente a la bobina transmisora;
• La corriente genera un campo magnético;
• El campo magnético induce corriente en la bobina receptora, sintonizada a la misma frecuencia;

Aunque aún no es tecnología madura, WPT podría superar muchas limitaciones que han impedido la difusión de VE [12].

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

• Mayor autonomía de batería, reduciendo la ansiedad por autonomía;
• Baterías más pequeñas y carga más rápida, aumentando la movilidad;
• Los conductores no lidian con cables sucios y potencialmente peligrosos (lluvia, cable, vandalismo), y el proceso de carga es más fácil.

e-Carreteras para carga inalámbrica

Las carreteras eléctricas (e-Roads) pueden parecer visión de ciencia ficción, pero llegan más rápido de lo que pensamos. Las e-Roads permiten, teóricamente, cargar inalámbricamente un número ilimitado de VE en movimiento, evitando cuellos de botella en estaciones de carga [6].

La tecnología WPT de campo cercano implementada en e-Roads puede entregar electricidad inductivamente a un receptor, con alta potencia pero distancia de aire limitada. Se ha logrado progreso significativo en potencia de carga, distancia de transferencia, eficiencia y seguridad de sistemas WPT en la última década, impulsando considerablemente su implementación práctica [14]. Además, cablear carreteras para carga dinámica, a gran escala, podría ser más sostenible que usar baterías grandes en multitud de VE [13].

Las tecnologías de construcción de e-Roads están en desarrollo, ya sea in-situ o prefabricadas, y se clasifican como [15]:

• Método de zanja (construcción en capa subsuperficial o a ras de superficie);
• Método de micro-zanja (excavación solo en sub-superficie);
• Sustitución de carril completo (construcción a todo ancho en sub-superficie o a ras);
• Carril completo prefabricado (sub-superficie o a ras).

Los beneficios potenciales de opciones basadas en zanja y micro-zanja incluyen períodos de instalación más cortos (vs. carril completo), menor volumen de material excavado y fácil acceso a sistemas e-Road para mantenimiento [16].

Materiales habilitadores para e-Roads

Las e-Roads se vuelven realidad gracias a las propiedades magnéticas de materiales específicos que permiten adoptar WPT como sistema de carga de VE. El uso de materiales magnetizables, hormigón y asfalto, abre muchas oportunidades en transporte [16].

La solución de «Talga» y «Betotech» para hacer hormigón conductor es posible usando cemento estándar con adiciones de grafeno prístino, grafito y subproducto rico en sílice de procesamiento de mineral [17]. Este hormigón mejorado con grafeno es altamente conductor con resistividad eléctrica baja de 0,05 ohm-cm. A sequedad similar, el mortero de cemento tiene una resistividad general asombrosamente alta de ~1.000.000 ohm-cm.

Una alternativa interesante al grafeno es la solución de «Magment», que consiste en materiales de hormigón magnetizable, ya sea base cemento o asfalto, desarrollados usando partículas de ferrita magnética como áridos, que adquieren propiedades magnéticas al inducirse corriente eléctrica de alta frecuencia. Es una tecnología patentada que mantiene las propiedades mecánicas del hormigón convencional para ser totalmente compatible con prácticas de construcción de carreteras convencionales.

WPT necesita diferentes capas magnéticas para controlar el campo magnético, tanto para dirigirlo hacia el receptor como para restringirlo hacia el suelo.

Usando metamateriales (MM) ingenierizados, es posible lograr eficiencia superior de la bobina transmisora manipulando ondas electromagnéticas.

En el caso particular de la tecnología de Magment, una capa de Metamaterial Diamagnético (DM) se coloca bajo un sustrato de hormigón magnetizable y una capa de Enfoque de Campo (FF) sobre la bobina [17].

Este hormigón consiste en casi 87 % de áridos magnetizables que son subproductos de fabricación de ferritas cerámicas y reciclaje de chatarra electrónica. Las ferritas son materiales cerámicos compuestos de óxidos de hierro de diversos elementos metálicos muy presentes en la naturaleza como manganeso, zinc, calcio y aluminio. Lo notable es que las partículas de ferrita se obtienen principalmente de material reciclado de la industria de ferritas y la cantidad creciente de residuos electrónicos, aunque sus propiedades electromagnéticas puedan ser desconocidas [18].

Aspectos tecnológicos de e-Roads

Las e-Roads son estructuralmente más complejas que carreteras tradicionales, especialmente por sus dispositivos tecnológicos embebidos. La durabilidad y mínimo mantenimiento de e-Roads son factores cruciales para su implementación. La superficie debe dar alta resistencia mecánica a deflexión u orniado. Carreteras de hormigón, con vida útil de 50-60 años, satisfacen la durabilidad requerida a largo plazo. Pero e-Roads requerirán más investigación para su optimización.

Los componentes más importantes en sistemas e-Road basados en WPT son losas de unidad de carga (CU) hechas de módulo de hormigón y electrónica de potencia. Incluyen sistema de carga, como bobinas conductoras y ferritas magnéticas.

La mejora de la integridad estructural de e-Roads es de gran importancia. Incluye uso de recubrimientos de alta calidad, membranas o tejidos de alivio de tensiones, materiales de junta en interfaces críticas, materiales reforzados y gradación de capa de asfalto [15][16].

Escenarios de aplicación

La tecnología de carga inductiva, estática, estacionaria y dinámica, podría adoptarse en diversos escenarios.

La carga estática podría usarse en aparcamientos, aparcamientos de autobuses en estaciones, y vehículos de carga durante carga/descarga. La carga estacionaria en taxis en cola en paradas, autobuses en paradas, y vehículos en cruces. La carga dinámica en autopistas y vías urbanas con carriles dedicados [2].

WPT demuestra ser tecnología válida, con adopción probable en futuro próximo, especialmente en transporte público y logística.

El coste y autonomía de baterías siguen siendo limitaciones relevantes en la adopción de flotas de autobuses eléctricos y vehículos de carga. Sin embargo, estos vehículos siempre siguen las mismas rutas, pudiendo aprovechar al máximo la carga dinámica WPT. Además, se estima que con esta tecnología, la dimensión de la batería podría reducirse hasta un 70 %. Esto reduce el peso total del vehículo y alarga 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 redes de transporte para carga dinámica de autobuses eléctricos públicos [12][13][19].

Mientras, Noruega se centra en implementación de carga dinámica para transporte de mercancías pesadas en largas distancias, considerando que la electrificación del 5 % de carreteras noruegas recortará casi la mitad de emisiones de vehículos pesados [6].

Los taxis suelen necesitar hacer cola o aparcar en lugares estratégicos de aeropuertos, estaciones de tren y hoteles. La tecnología de enchufe obliga a los taxis a quedarse aparcados horas. La tecnología inalámbrica podría superar esta limitación crucial.

Oslo está a punto de convertirse en la primera ciudad del mundo en implementar WPT dinámico, permitiendo carga de taxis eléctricos mientras están en colas lentas en paradas [22][23].

Además, en logística, vehículos como carretillas elevadoras eléctricas y equipos de apoyo en tierra (GSE) podrían aprovechar el potencial WPT en rutas seleccionadas sin parar a cargar [14][17].

Diferentes proyectos de electrificación de autopistas están en desarrollo en varias partes del mundo, como en Suecia dentro del proyecto «Smart Road Gotland», y en el Reino Unido como resultado del trabajo de Highways England.