Os avanços na ciência dos materiais estão tornando as e-estradas uma realidade

O setor de transporte tem demonstrado contribuir significativamente para as mudanças climáticas globais e as emissões de CO2 [1]. Os veículos elétricos (VEs) são considerados de importância estratégica na transição para um planeta de energia limpa [2].

A adoção de VEs promete trazer inúmeros benefícios ambientais, sociais e econômicos, como a minimização de poluentes atmosféricos, ar urbano mais limpo, menos emissões de ruído e um impulso na economia [3]. Os VEs podem reduzir significativamente o consumo de energia e as emissões de gases de efeito estufa, especialmente quando a fonte de energia é transferida para fontes de energia limpa, como energia eólica e solar [4][5].

Os benefícios de uma ampla adoção de VE parecem notáveis, mas os desafios para a aceitação geral permanecem significativos. Embora os VEs tenham sido significativamente desenvolvidos recentemente em termos de desempenho e autonomia, eles ainda sofrem limitações como peso, tamanho e custo das baterias, redes de infraestrutura de carregamento pequenas ou inexistentes, longa duração do carregamento e seu custo relativamente alto. em comparação com os veículos tradicionais [3].


A participação de mercado de veículos totalmente elétricos ainda é baixa em muitos países. www.openchargemap.org

O desenvolvimento das infraestruturas dos VEs é uma questão crucial a ser enfrentada para alcançar a ampla adoção dos EVs. Neste contexto, as estradas eletrificadas desempenham um papel importante que poderá permitir ultrapassar os limites à difusão dos VEs.

Limitações das baterias dos VEs

Para resolver as limitações cruciais dos EVs, impulsionar ainda mais o desenvolvimento e a otimização das baterias EV parece estar entre as soluções óbvias. Mas suponha que as melhorias na tecnologia de baterias sejam bem-sucedidas, ainda existem outros desafios relacionados ao clima, meio ambiente ou acesso a recursos que ainda não foram superados.

As preocupações de sustentabilidade em torno das baterias dos VEs ainda precisam ser totalmente resolvidas. Fundamentalmente, é importante entender se lítio, cobalto e níquel, os principais metais necessários para baterias de tração de íon de lítio, podem ser extraídos de forma sustentável sem contradizer o pressuposto fundamental dos VEs como meio de sustentabilidade [6].

Por exemplo, a mineração de cobalto está concentrada principalmente em um dos países menos desenvolvidos do mundo, a República Democrática do Congo. Este país tem transparência limitada na cadeia de valor do cobalto, além de fortes evidências de abusos dos direitos humanos, condições de trabalho perigosas, trabalho forçado e trabalho infantil [7][8]. Os fornecedores de lítio devem abordar considerações de fornecimento ético. Além disso, não é garantido que a demanda da bateria de íons de lítio seja sempre atendida [9][10].

Tecnologias de carregamento de veículos elétricos

As melhorias tecnológicas dizem respeito até mesmo às tecnologias de carregamento de VEs. As tecnologias atuais de carregamento de veículos elétricos podem ser classificadas como plug-in, condutoras e indutivas.

O carregamento plug-in pode carregar quase todos os EVs existentes, mas o EV precisa ser estacionado e conectado fisicamente a uma fonte de energia. Por outro lado, com a tecnologia de carregamento condutivo, o VE estaria em contato com as linhas de energia por meio de um pantógrafo enquanto estiver em movimento, o que permite alta transferência de energia em um curto período de tempo.

Na tecnologia indutiva mais recente, também conhecida como Wireless Power Transfer (WPT) , a energia é transferida sem fio para o EV via acoplamento indutivo durante a viagem ou durante paradas curtas [2][11].
Resumidamente, a tecnologia WPT pode ser descrita da seguinte forma:

• A eletricidade da rede envia corrente através da bobina transmissora;
• A corrente gera um campo magnético;
• O campo magnético induz uma corrente na bobina receptora, que é sintonizada na mesma frequência;

Embora ainda não seja uma tecnologia madura, o WPT pode superar muitas limitações que dificultam a difusão dos EVs [12].


Carregamento sem fio dos VEs (Adaptado de Roberts &Zarracina, 2017)

A tecnologia indutiva pode oferecer inúmeras vantagens, tais como [13]:

• Um maior alcance da bateria, o que implica em redução da ansiedade de alcance;
• Baterias menores e carregamento mais rápido, o que implica em maior mobilidade;
• Os motoristas não precisam lidar com cabos sujos e potencialmente perigosos (chuva, cabo, vandalismo etc.) e o processo de carregamento é mais fácil.

Tabela comparativa das três tecnologias comuns de carregamento de VEs

e-Roads para carregamento sem fio

Estradas elétricas (e-Roads) podem parecer apenas uma visão de ficção científica, mas estão surgindo mais rápido do que pensamos. E-Roads permitem, teoricamente, carregar sem fio um número ilimitado de EVs em movimento, evitando assim gargalos nas estações de carregamento [6].


Revestimentos inteligentes, colheita de energia, sensores e outros meios. Conceito e Design pelo Studio Roosegaarde e os engenheiros da Heijmans

A tecnologia WPT de campo próximo implementada em e-Roads pode fornecer eletricidade indutivamente a um dispositivo receptor, com alta potência, mas distância de entreferro limitada. Progressos significativos em termos de potência de carregamento, distância de transferência, eficiência e segurança dos sistemas WPT foram feitos na última década, impulsionando consideravelmente sua implementação prática [14]. Além disso, a fiação de estradas para carregamento dinâmico, em escala real, pode ser mais sustentável do que usar baterias grandes em uma infinidade de veículos elétricos [13].

As tecnologias de construção de e-Road estão em desenvolvimento, seja em instalações in situ ou baseadas em pré-fabricação, e são classificadas como [15]:

• Caminho baseado em trincheiras (construção em camada subsuperficial ou nivelada à superfície);
• Caminho de microtrincheiras (escavação apenas em subsuperfície);
• Substituição total da pista (construção da largura total da pista na camada subsuperficial ou nivelada com a superfície);
• Largura total da pista pré-fabricada (camada de subsuperfície ou nivelada com a superfície).

Os benefícios potenciais das opções de construção baseadas em valas e micro-trincheiras incluem períodos de instalação mais curtos (quando comparados com a construção de largura de pista completa), menor volume de resíduos escavados e facilidade de acesso aos sistemas e-Road para manutenção [16 ].

Materiais facilitadores para e-Roads

As e-Roads estão se tornando uma realidade graças às propriedades magnéticas de materiais específicos que estão permitindo a adoção do WPT como sistema de carregamento dos VEs. O uso de materiais magnetizáveis, concreto e asfalto, abre muitas oportunidades no setor de transporte [16].

A solução “Talga” e “Betotech” para tornar o concreto condutor é possível usando cimento padrão da indústria com adições de grafeno puro, grafite e o subproduto rico em sílica do processamento do minério [17]. Este concreto reforçado com grafeno é altamente condutor com uma baixa resistividade elétrica de 0,05 ohm-cm. Com uma secura semelhante, a argamassa de cimento tem uma resistividade geral surpreendentemente alta de cerca de 1.000.000 ohm-cm.


Imagens SEM de grafeno (Mag =500x e 10.000x) (cortesia de i.lab Italcementi)

Uma alternativa interessante ao grafeno é a solução proposta pelo “Magment”, que consiste em materiais de concreto magnetizáveis, à base de cimento ou asfalto, desenvolvidos usando partículas de ferrita magnética como agregados, que adquirem propriedades magnéticas quando uma corrente elétrica de alta frequência é induzido. É uma tecnologia patenteada que mantém as propriedades mecânicas do concreto convencional para ser totalmente compatível com as práticas convencionais de construção de estradas.

O WPT precisa de diferentes camadas magnéticas para controlar o campo magnético, tanto para conduzir o campo na direção do receptor quanto para restringi-lo ao solo.

Usando metamateriais projetados (MM), é possível obter eficiência superior da bobina do transmissor manipulando ondas eletromagnéticas.


Classificação de materiais magnéticos (cortesia de Magment.de)

No caso particular da tecnologia de Magment, uma camada de Metamaterial Diamagnético (DM) é colocada abaixo de um substrato de concreto magnetizável e uma camada de Focagem de Campo (FF) acima da bobina [17].


Eficiência vs. Distância da bobina de captação do transmissor para diferentes veículos elétricos (cortesia de Magment.de)

Esse concreto é composto por quase 87% de agregados magnetizáveis ​​que são resíduos da fabricação de ferrites cerâmicas e da reciclagem de sucata eletrônica. As ferritas são materiais cerâmicos compostos por óxidos de ferro de diversos elementos metálicos altamente presentes na natureza como manganês, zinco, cálcio e alumínio. O lado positivo notável é que as partículas de ferrita são obtidas principalmente por material reciclado da indústria de ferrite e pela quantidade crescente de lixo eletrônico, embora suas propriedades eletromagnéticas possam ser desconhecidas [18].


Unidade de Reciclagem de Lixo Eletrônico de Ruanda

Aspectos tecnológicos das e-Roads

As e-Roads são estruturalmente mais complexas do que as estradas tradicionais, especialmente por causa de seus dispositivos tecnológicos incorporados. A durabilidade e a manutenção mínima das e-Roads são fatores cruciais para a implementação da e-Road. A superfície da estrada deve fornecer alta resistência mecânica à deflexão ou sulco. As estradas de concreto, com uma vida útil de 50 a 60 anos, podem satisfazer a durabilidade necessária a longo prazo. Mas as e-Roads exigirão mais pesquisas para sua otimização.

Os componentes mais importantes nos sistemas e-Road baseados em WPT são as placas da unidade de carregamento (CU) que são feitas de um módulo de concreto e eletrônica de potência. Estes incluem um sistema de carregamento, como bobinas condutoras e ferrites magnéticas.

A melhoria da integridade estrutural das e-Roads é de grande importância. Isso inclui o uso de revestimentos de alta qualidade, membranas ou tecidos de alívio de tensão, materiais de juntas de encaixe nas interfaces críticas, materiais reforçados e gradação de revestimento de asfalto [15][16].

Cenários de aplicativos

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

A tecnologia de carregamento indutivo, estático, estacionário e dinâmico, pode ser adotada em diversos cenários de aplicação.

A tecnologia de carregamento estático pode ser adotada em estacionamentos, estacionamentos de ônibus em estações de ônibus e veículos de carga durante o carregamento ou descarregamento. A tecnologia de carregamento estacionário poderia ser adotada em táxis em fila em um ponto de táxi, ônibus parando em pontos de ônibus e veículos parando em cruzamentos. A tecnologia de carregamento dinâmico pode ser adotada em rodovias e vias urbanas com faixas de carregamento dedicadas [2].

O WPT está demonstrando ser uma tecnologia válida, pois sua adoção é mais provável de acontecer em um futuro próximo, especialmente nas áreas de transporte público e logística.

O custo e a autonomia das baterias ainda são limitações relevantes na adoção da frota de ônibus elétricos e veículos de carga. No entanto, este tipo de veículos segue sempre os mesmos caminhos, para que possam tirar o máximo partido da tecnologia de carregamento dinâmico WPT. Além disso, estima-se que com esta tecnologia, a dimensão da bateria possa ser reduzida em até 70%. Isso, consequentemente, reduz o peso total do veículo e aumenta o desempenho da bateria.

O carregamento por indução já está abastecendo ônibus em Turim, Itália, desde 2003 e em Utrecht, Holanda, desde 2010. Coreia do Sul, Israel e Alemanha também implementaram com sucesso a rede de transporte para o carregamento dinâmico de ônibus elétricos públicos [12][13][ 19].

Considerando que, a Noruega está focando na implementação de cobrança dinâmica para transporte de mercadorias pesadas em longas distâncias, considerando que a eletrificação de 5% das estradas norueguesas reduzirá quase metade das emissões de veículos pesados ​​[6].


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

Os táxis geralmente precisam ser colocados em filas ou estacionados em locais estratégicos de aeroportos, estações de trem e hotéis, para citar alguns. A tecnologia plug-in força os táxis a ficarem presos no estacionamento por várias horas. A tecnologia sem fio pode superar com sucesso essa limitação crucial.

Oslo está prestes a se tornar a primeira cidade do mundo a implementar um WPT dinâmico, permitindo o carregamento de táxis elétricos enquanto eles estão em filas de movimento lento nas praças de táxi [22][23].

Além disso, no setor de logística, veículos como empilhadeiras elétricas e equipamentos de apoio no solo (GSE) poderiam alavancar o potencial do WPT através de rotas selecionadas sem precisar parar para carregar [14][17].

Diferentes projetos de implementação de rodovias eletrificadas estão em desenvolvimento em diferentes partes do mundo, como na Suécia, no contexto da  “Smart Road Gotland ” projeto, e no Reino Unido como resultado da Highways England trabalho de.


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