Ar keliai galėtų įkrauti elektromobilius? Technologija gali būti artima

„Elektrinės transporto priemonės sulaukia didelio aptarimo. Tačiau tikimasi, kad 2021 m. elektromobilių arba EV pardavimai sudarys mažiau, nei 4 procentus lengvųjų transporto priemonių pardavimo Jungtinėse Valstijose.

 

    Viena iš priežasčių: nesugebėjimas lengvai pasikrauti ilgose kelionėse, žinomas, kaip nuotolio nerimas. Ir susirūpinimas pagrįstas: atstumas, įkrovimo laikas ir įkrovimo stotelių prieinamumas dar turi nuveikti ilgą kelią.

 

    Vis dėlto elektromobiliai populiarėja: jie yra aiškiai matomi Bideno administracijos 7,5 milijardo dolerių iniciatyvoje, kurią prezidentas pasirašė anksčiau šį mėnesį, siekiant iki 2030 m. sukurti 500 000 greitaeigių elektromobilių įkrovimo stotelių tinklą visoje šalyje. (JAV Energetikos departamento duomenimis, šiuo metu yra apie 43 000 įkrovimo stotelių.)

 

    Tačiau tai išspręstų tik dalį problemos, iš dalies dėl to, kad įkrovimo laikas vis dar ilgas. Tikrasis didžiulis pokytis per ateinantį dešimtmetį gali būti susijęs su tokia idėja: keliais, kuriais važiuojant automobiliai pakraunami elektra, naudojant technologiją, vadinamą indukciniu įkrovimu.

 

    Liepą Indianos transporto departamentas ir Purdue universitetas paskelbė apie planus sukurti pirmąjį pasaulyje bekontakčio įkrovimo betoninių dangų greitkelių segmentą.

 

    Projektą vykdo inžinerinių tyrimų centras, pavadintas „Tvarumo didinimas per elektrinę kelių elektrifikavimo infrastruktūrą“ (ASPIRE). Jį finansuoja Nacionalinis mokslo fondas.

 

     „Viena iš pagrindinių elektrifikacijos kliūčių yra nuotolio nerimas. Ši technologija skirta problemai išspręsti“, – sakė Nadia Gkritza, Lyles statybos inžinerijos mokyklos profesorė ir Purdue universiteto ASPIRE universiteto direktorė. „Paprasčiau tariant, vizija yra įkrauti važiuojančias transporto priemones, o ne sustoti prie įkrovimo stotelių ir pasikrauti.

 

    Daugiamečiame projekte bus naudojama įmagnetinamo betono technologija, kurią sukūrė Vokietijos bendrovė „Magment“, kuri leis belaidžiu būdu įkrauti elektromobilius važiuojant.

 

    Ši technologija veikia, pridedant mažų perdirbto ferito dalelių – keramikos, pagamintos sumaišius geležies oksidą, sumaišytą su metalinių elementų, tokių, kaip nikelis ir cinkas, gabalėliais, į betono mišinį, kuris įmagnetinamas veikiant elektros srove. Taip sukuriamas magnetinis laukas, kuris belaidžiu būdu perduoda energiją automobiliui.

 

    Iš patentuotos medžiagos pagaminta plokštelė arba dėžė, maždaug 12 pėdų ilgio ir 4 pėdų pločio, įkasta važiuojamosios dalies viduje kelių colių gylyje. Dėžutėje yra laidų ritės, kurios per specializuotą elektroninę įrangą jungiasi prie elektros tinklo, tai yra siųstuvas, paaiškino Dionysios Aliprantis, Purdue Elmore šeimos elektros ir kompiuterių inžinerijos mokyklos profesorius.

 

    Siųstuvą supa įprasta kelio medžiaga – betonas arba asfaltas. Siųstuvai būtų įterpti į važiuojamąją dalį vienas po kito, kad būtų galima nuolat perduoti energiją. Imtuvas yra panaši, bet mažesnė dėžutė su ritėmis, pritvirtinta prie automobilio apačios.

 

    (Kitas bendrovės gaminys yra MagPad, belaidžio maitinimo siųstuvo padėklas, kuris gali būti montuojamas ant žemės arba žemėje. Siųstuvai gali būti montuojami viešose automobilių stovėjimo aikštelėse arba privačiuose garažuose.)

 

    Įgyvendinant projektą bus išbandyta elektrifikuota danga, atlikus analizę ir tyrimus, atliekamus Indianos transporto departamento pagreitinto dangos bandymo įrenginyje Vakarų Lafajete. Pirmojo bandymo metu važiuojamosios dalies ruožas bus spaudžiamas taip, tarsi juo važiuotų sunkvežimiai, kad pamatytumėte, ar danga atlaikys, – sakė M. Aliprantis.

 

    Antrasis bandymas įvertins sistemos gebėjimą belaidžiu būdu perduoti aukšto lygio galią. Nors idėja yra panaši į mobiliuosius telefonus, kurie kraunami belaidžiu ryšiu, yra didelis skirtumas: įkraunama, naudojant 10–15 colių tarpą tarp siųstuvo ir imtuvo.

 

    „Mobilusis telefonas paliečia paviršių, kad būtų įkrautas, todėl jis yra gana stipriai sujungtas“, - sakė jis. „O dabar, jei padidinsime vadinamąjį oro tarpą, susilpnėja sukabinimo įtaisas, o kartu ir galios perdavimas.

 

    Per ateinančius dvejus metus, kai technologija bus patvirtinta atliekant laboratorinius bandymus, Indianos transporto departamentas pastatys ketvirčio mylios ilgio bandymų stendą, kuriame inžinieriai ištirs elektrifikuoto kelio pajėgumą tiekti didelę galią sunkvežimiams.

 

    „Norime tai daryti lėtai, atlikti tuos bandymų stendus ir pilotus“, – sakė ponia Gkritza. „Mūsų tikslas yra per ketverius ar penkerius metus atlikti ilgesnį bandymą vienoje iš tarpvalstijų kelių, greičiausiai I-70.

 

    Remiantis pastarųjų trejų metų prognozėmis, kelių elektrifikavimo abiem kryptimis sąnaudos labai skiriasi – nuo ​​1,1 mln. dolerių iki 2,8 mln. dolerių už kilometrą.

 

    Indiana nėra vienintelė valstija, dalyvaujanti lenktynėse. Rugsėjo mėn. Mičigano gubernatorė Gretchen Whitmer paskelbė apie naują iniciatyvą sukurti pirmąją šalyje belaidžio įkrovimo infrastruktūrą viešuosiuose keliuose ir teigė, kad valstybė ieško partnerių, kurie padėtų plėtoti ir įdiegti technologiją.

 

    Pasak Mičigano ekonominės plėtros korporacijos, indukcinis transporto priemonių įkrovimo pilotas yra Mičigano transporto departamento ir Ateities mobilumo ir elektrifikacijos biuro partnerystė. Pilotas įveiks vienos mylios kelio ruožą Wayne, Oakland arba Macomb grafystėje. Jutos valstijos universitetas taip pat kuria ant kelio belaidį įkrovimą, kurio indukcinės ritės dangoje perduoda energiją į įrengtų elektromobilių rites.

 

    „Įmagnetintas cementas? Beprotiška, žmogau“, – sakė Chrisas Nelderis, energetikos analitikas ir konsultantas, buvęs Rokio kalno instituto elektromobilių tinklų integravimo grupės vadovas. „Norėčiau pamatyti, kaip tai veikia. Tačiau tai būtų labai ankstyvos stadijos technologija, kurią naudojant reikės pertvarkyti automobilius, taip pat realiai įdiegti įkrovimo galimybes. Tačiau poreikis pertvarkyti automobilius yra nereikšmingas.

 

    Didelis iššūkis akivaizdžiai susijęs su transporto priemonėmis, sutiko Mauricio Esguerra, „Magment“ vadovas ir vienas iš įkūrėjų. „Automobilių pramonė yra labai užsiėmusi baterijų ir programinės įrangos gamyba, todėl šiuo metu jų susidūrimas su indukciniu įkrovimu yra prioritetas, kuris yra toli. Šio projekto dvasia yra pirmiausia sutelkti dėmesį į techninius iššūkius, siekiant parodyti, kad jis veikia.

 

    Kiti iššūkiai gali sulėtinti ateities elektrinį kelią. „Kalbant apie tai kontekste, tikėtina, kad įkrovimas vairuojant nebus platus sprendimas visoms elektra varomoms transporto priemonėms, tačiau kai kuriose srityse jis gali atlikti svarbų vaidmenį“, – sakė inžinerijos ir viešosios politikos profesorius bei direktorius Jeremy J. Michalekas, vadovaujantis Carnegie Mellon universiteto transporto priemonių elektrifikavimo grupei.

 

    „Keleiviniams automobiliams dauguma vairuotojų išeina iš namų su pilnu baku elektros, o elektromobilių važiavimo, papildomai nepaskrovus, nuotolis auga pakankamai didelis, todėl daugumai vairuotojų nereikės įkrauti kelionėje, išskyrus retas tolimųjų kelionių dienas“, – sakė jis.

 

    Tačiau yra didesnė problema, kurią tokie keliai gali išspręsti. „Ilgų atstumų sunkvežimių apkrovimu siekiama išspręsti realią sunkvežimių elektrifikavimo problemą“, – sakė p. Michalekas. Elektriniams sunkvežimiams reikia didelių baterijų, kurios sumažina naudingąją apkrovą; kelionėje įkrovimas galėtų padėti, nors tokioms tolimoms kelionėms reikėtų didelių investicijų į infrastruktūrą.

 

    Įkrovimas taip pat turės „atlaikyti visą svorį ir oro sąlygas, kurios šiandien drasko mūsų kelius. Gali būti tam tikrų programų, kuriose įvažiavimo įkrovimo infrastruktūra gali būti nukreipta į pasirinktas vietas, pavyzdžiui, autobusų stoteles arba parką su fiksuotais maršrutais ir žinomomis stotelėmis“, – sakė jis.

 

    „Purdue“ komanda galvoja apie šiuos iššūkius, tačiau nusiteikusi optimistiškai. „Techninės kliūtys, kurias turime įveikti, nėra neįveikiamos“, – sakė A. Aliprantis. "Tai gali būti įveikta tinkamai suprojektavus."

 

    Tačiau yra reguliavimo kliūčių, sakė jis. „Pavyzdžiui, Indianoje, jei nesate komunalinis paslaugų teikėjas, negalite perparduoti elektros. Taigi, jei esate kelių operatorius, negalite apmokestinti transporto priemonių už sunaudotą elektros energiją. Be to, šiuo metu yra kliūčių naudotis tarpvalstijine pirmumo teise šiai infrastruktūrai įrengti. Tam tikros taisyklės turi būti pakeistos, kad tai taptų realybe, bent jau šioje šalyje.

 

    Be to, elektros tinklai turės padidinti pajėgumą, kad būtų užtikrinta, jog jie galėtų patenkinti susidariusią paklausą. „Ypač jei norime diegti šią technologiją dideliu mastu, nes įkrauname ne mobiliuosius telefonus, o dideles transporto priemones, važiuojančias greitkelio greičiu, o tam reikia daug energijos“, – sakė jis.

 

    Purdue projektui tai yra kelionės pradžia.

 

    „Šią technologiją matome, kaip puikią galimybę suderinti su JAV transporto departamento ir Federalinės greitkelių administracijos vizija dėl alternatyvių degalų koridorių pagrindiniuose nacionaliniuose keliuose, kuriuose palaikomas elektros transporto priemonių įkrovimas, vandenilio, propano ir gamtinių dujų papildymas. su esama ar planuojama infrastruktūra“, – sakė M. Gkritza. „Mes nesiūlome, kad visi keliai būtų 100 procentų elektrifikuoti“.

 

 

 

Could Roads Recharge Electric Cars? The Technology May Be Close.

 

"Electric vehicles are getting a lot of buzz. Yet sales of electric vehicles, or EVs, are expected to amount to less than 4 percent of passenger vehicle sales in the United States in 2021.

One reason: the inability to easily recharge on long trips, known as range anxiety. And the concern is valid: Range, charging time and availability of charging stations all still have a long way to go.

EVs are getting a boost, though: They are prominently featured in a $7.5 billion initiative from the Biden Administration, signed by the president earlier this month, with the goal of building a nationwide network of a 500,000 high-speed electric vehicle charging stations by 2030. (Currently, there are about 43,000 charging stations, according to the U.S. Department of Energy.)

But that would solve only part of the problem, in part because charging times are still lengthy. The real sweeping change in the next decade may address that: roadways that electrically power cars as they travel, using a technology known as inductive charging.

In July, the Indiana Department of Transportation and Purdue University announced plans to develop the world’s first contactless wireless-charging concrete pavement highway segment.

The project is being undertaken by an engineering research center called Advancing Sustainability Through Powered Infrastructure for Roadway Electrification (ASPIRE). It is funded by the National Science Foundation.

 “One of the major barriers to electrification is the range anxiety. This technology is intended to solve the problem,” said Nadia Gkritza, a professor at the Lyles School of Civil Engineering and ASPIRE campus director at Purdue University. “In simple terms, the vision is to bring the charge to the vehicles, rather than having the vehicle stop at charging stations to recharge.”

 

The multiyear project will use a magnetizable concrete technology — developed by the German company Magment — enabling wireless charging of electric vehicles as they drive.

 

The technology works by adding small particles of recycled ferrite — a ceramic made by mixing iron oxide blended with slivers of metallic elements, such as nickel and zinc — to a concrete mixture which is magnetized by running an electrical current. This creates a magnetic field that transmits power wirelessly to the vehicle.

 

A plate or box made of the patented material, roughly 12-feet long by 4-feet wide, is buried inside the roadway at a depth of a few inches. The box contains coils of wire that connect to the power grid through specialized electronic equipment — that’s the transmitter, explained Dionysios Aliprantis, a professor at the Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering at Purdue.

 

Surrounding the transmitter is normal roadway material — concrete or asphalt. The transmitters would be embedded in the roadway one after the other, allowing for a continuous power transfer. The receiver is a similar, but smaller box with coils that is attached to the underside of a car.

 

(Another product from the company is MagPad, a wireless power transmitter pad which can be installed either on-ground or in-ground. The transmitters could be installed at public parking lots or private garages.)

 

The project will test the electrified pavement through analysis and research conducted at the Indiana Department of Transportation Accelerated Pavement Testing facility in West Lafayette. The first test will apply pressure on the roadway segment as if trucks are driving on it to see if the pavement will last, Mr. Aliprantis said.

 

The second test will assess the capability of the system to transfer high-levels of power wirelessly. While the idea is similar to cellphones that charge wirelessly, there is a significant difference: charging with a 10-to-15-inch gap between the transmitter and receiver.

 

“The cellphone touches the surface to charge, so it’s pretty strongly coupled,” he said. “Whereas now, if we increase the so-called air gap, the coupling weakens, and so does the power transfer.”

 

Within the next two years, once the technology is validated in the lab tests, the Indiana Department of Transportation will build a quarter mile-long test bed where engineers will examine the electrified roadway’s capacity to deliver high power to trucks.

“We want to take it slowly, to do those test beds and pilots,” Ms. Gkritza said. “Our goal is within four to five years to have a longer test on one of the interstates, most likely I-70.”

 

Cost estimates to electrify roads in both directions vary widely, from $1.1 million to $2.8 million per kilometer, according to projections made in the last three years.

 

Indiana isn’t the only state getting into the race. In September, Gov. Gretchen Whitmer of Michigan announced a new initiative to develop the nation’s first wireless charging infrastructure on a public road and said the state is looking for partners to help develop and deploy the technology.

The Inductive Vehicle Charging Pilot is a partnership between the Michigan Department of Transportation and the Office of Future Mobility and Electrification, according to the Michigan Economic Development Corporation. The pilot will cover a one-mile stretch of road in Wayne, Oakland or Macomb county. Utah State University is also developing inroad wireless charging, with induction coils in the pavement transmitting energy to coils in outfitted EVs.

“Magnetized cement? Crazy, man,” said Chris Nelder, an energy analyst and consultant, and former manager of the EV grid integration group at the Rocky Mountain Institute. “I would love to see it work. But this would be very early-stage technology, needing cars to be redesigned to use it as well as the actual implementation of the charging capability. But the need to redesign the cars is non-trivial.”

A big challenge is clearly on the vehicle side, agreed Mauricio Esguerra, chief executive and co-founder of Magment. “The automotive industry is so busy with making batteries, making software, so that confronting them right now with inductive charging is a priority which is far away. The spirit of this project is to concentrate first on the technical challenges of demonstrating that it works.”

Other challenges may slow the electric road of the future. “To put this in context, inroad charging while driving is not likely to be a broad solution for all electric vehicles, but it could play an important role for some applications,” said Jeremy J. Michalek, professor of engineering and public policy and director of the vehicle electrification group at Carnegie Mellon University.

“For passenger cars, most drivers will leave home on most days with a full tank of electricity, and EV range is growing large enough that most drivers won’t need public charging except on rare long-distance travel days,” he said.

 

But there is a bigger problem that these kinds of roadways can solve. “For long-haul trucking, inroad charging aims to address a real problem with electrifying trucks,” Mr. Michalek said. Electric trailer trucks require large battery packs that reduce payload; inroad charging could help, though that amount of long-distance travel would require a huge investment in infrastructure.

 

Inroad charging will also need to “withstand all of the weight and weather abuse that tears up our roads today. There may be particular applications where inroad charging infrastructure could be targeted to select locations, such as bus stops or fleets with fixed routes and known stops,” he said.

The Purdue team is mindful of these challenges, but optimistic. “The technical obstacles that we need to overcome are not insurmountable,” Mr. Aliprantis said. “Those can be overcome with proper design.”

There are, however, regulatory barriers, he said. “For example, in Indiana if you’re not a utility, you cannot resell electricity. So, if you’re the roadway operator, you cannot charge the vehicles for the electricity they consume. Also, there are obstacles to using the interstate right of way right now to install this infrastructure. There are certain regulations that need to change before this becomes a reality, at least in this country.”

Moreover, electric grids will need to increase capacity to guarantee they can cover the demand that will be created. “Especially if we want to implement this technology at scale, because we’re not charging cellphones, we’re charging big vehicles moving at freeway speeds, which require a significant amount of power,” he said.

For the Purdue project, it’s the start of the road trip.

“We see this technology as a great opportunity to align with the vision from the U.S. Department of Transportation and the Federal Highway Administration of alternative fuel corridors along major national roadways that support plug-in electric vehicle charging, hydrogen, propane, and natural gas refueling with existing or planned infrastructure,” Ms. Gkritza said. “We are not proposing that all roads will be 100 percent electrified.”"