재료 과학의 발전은 e-Road를 현실로 만들고 있습니다

운송 부문은 지구 기후 변화와 CO2 배출에 크게 기여하는 것으로 나타났습니다[1]. 전기 자동차(EV)는 청정 에너지 행성으로의 전환에서 전략적으로 중요한 것으로 간주됩니다[2].

전기 자동차의 채택은 대기 오염 물질의 최소화, 깨끗한 도시 공기, 소음 배출 감소, 경제 활성화와 같은 수많은 환경적, 사회적 및 경제적 이점을 가져올 것으로 약속합니다[3]. EV는 특히 에너지원이 풍력 및 태양열 발전과 같은 청정 에너지원으로 전환될 때 에너지 소비와 온실 가스 배출을 크게 줄일 수 있습니다[4][5].

광범위한 EV 채택의 이점은 놀라운 것처럼 보이지만 일반적인 수용에 대한 과제는 여전히 중요합니다. 전기차는 최근 성능과 주행거리 면에서 크게 발전했지만 배터리의 무게, 크기, 비용, 소규모 또는 전무한 충전 인프라 네트워크, 긴 충전 시간, 상대적으로 높은 비용 등의 제약이 여전히 존재합니다. 기존 차량에 비해 [3].

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많은 국가에서 완전 전기 자동차의 시장 점유율은 여전히 ​​낮습니다. www.openchargemap.org

EV의 인프라 개발은 EV의 광범위한 채택을 달성하기 위해 직면해야 하는 중요한 문제입니다. 이러한 맥락에서 전기 도로는 전기차 보급의 한계를 극복할 수 있는 중요한 역할을 합니다.

EV 배터리의 한계

전기차의 중대한 한계를 해결하기 위해 전기차 배터리의 개발과 최적화를 더욱 추진하는 것이 분명한 해결책으로 보인다. 그러나 배터리 기술의 개선이 성공했다고 가정하면 기후, 환경 또는 자원에 대한 접근과 관련하여 아직 극복하지 못한 다른 문제가 있습니다.

전기차 배터리에 대한 지속 가능성 문제는 아직 완전히 해결되지 않았습니다. 기본적으로 리튬 이온 견인 배터리에 필요한 핵심 금속인 리튬, 코발트 및 니켈이 지속 가능성의 수단으로서 EV의 기본 가정과 모순되지 않고 지속 가능하게 추출될 수 있는지 이해하는 것이 중요합니다[6].

예를 들어 코발트 채굴은 주로 세계 최빈국 중 하나인 콩고민주공화국에 집중되어 있습니다. 이 나라는 인권 유린, 위험한 노동 조건, 강제 노동 및 아동 노동에 대한 강력한 증거 이상으로 코발트 가치 사슬의 투명성이 제한적입니다[7][8]. 리튬 공급업체는 윤리적 소싱 고려 사항을 해결해야 합니다. 게다가 리튬 이온 배터리 수요가 항상 충족된다는 보장도 없습니다[9][10].

EV의 충전 기술

기술 개선은 EV 충전 기술에도 적용됩니다. 현재 EV 충전 기술은 플러그인, 전도성 및 유도성으로 분류될 수 있습니다.

플러그인 충전은 기존의 거의 모든 EV를 충전할 수 있지만 EV는 주차하고 물리적으로 에너지원에 연결해야 합니다. 반면, 전도성 충전 기술을 사용하면 EV가 이동하는 동안 팬터그래프를 통해 전력선과 접촉하게 되어 짧은 시간에 높은 에너지 전달이 가능합니다.

무선 전력 전송(WPT)이라고도 하는 보다 최근의 유도 기술에서는 , 전력은 여행 중 또는 짧은 정지 중에 유도 결합을 통해 EV에 무선으로 전송됩니다[2][11].
간단히 WPT 기술은 다음과 같이 설명될 수 있습니다.

• 그리드의 전기는 송신기 코일을 통해 전류를 보냅니다.
• 전류가 자기장을 생성합니다.
• 자기장은 동일한 주파수로 조정된 수신 코일에 전류를 유도합니다.

아직 완성된 기술은 아니지만 WPT는 전기차 보급을 가로막았던 많은 한계를 극복할 수 있었습니다[12].

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EV의 무선 충전(2017년 Roberts &Zarracina에서 채택)

유도 기술은 다음과 같은 수많은 이점을 제공할 수 있습니다. [13]:

• 배터리 범위 증가, 이는 범위 불안 감소를 의미합니다.
• 더 작은 배터리와 더 빠른 충전으로 이동성 향상
• 운전자는 더럽고 잠재적으로 위험한 케이블(비, 케이블, 기물 파손 등)을 처리할 필요가 없으며 충전 프로세스가 더 쉽습니다.

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전기차 3대 공통 충전 기술 비교표

무선 충전용 e-Road

전기 도로(e-Road)는 공상 과학의 비전처럼 보일 수 있지만 우리가 생각하는 것보다 빠르게 다가오고 있습니다. e-Road를 사용하면 이론적으로 이동 중에 EV를 무제한으로 무선 충전할 수 있으므로 충전소의 병목 현상을 방지할 수 있습니다. [6].

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스마트 코팅, 에너지 수확, 센서 및 기타 매체. Studio Roosegaarde와 Heijmans 엔지니어의 개념 및 디자인

e-Road에 구현된 근거리 WPT 기술은 전력은 높지만 에어 갭 거리가 제한된 수신기 장치에 유도 방식으로 전기를 전달할 수 있습니다. WPT 시스템의 충전 전력, 전송 거리, 효율성 및 안전성 측면에서 지난 10년 동안 상당한 진전이 있었으며 실제 구현이 상당히 추진되었습니다[14]. 더욱이, 동적 충전을 위한 배선 도로는 대규모 전기 자동차에서 대용량 배터리를 사용하는 것보다 더 지속 가능합니다[13].

e-Road 건설 기술은 현장 기반 또는 조립식 기반 설치로 개발 중이며 [15]로 분류됩니다.

• 트렌치 기반 방식(지하층 또는 표면 플러시 건설),
• 마이크로 트렌치 방식(지하층에서만 굴착),
• 전체 차선 교체(지하층 또는 표면 플러시에서 전체 차선 폭 공사),
• 조립식 전체 차선 너비(지하층 또는 표면 플러시).

트렌치 기반 및 마이크로 트렌치 기반 건설 옵션의 잠재적 이점에는 설치 기간이 짧고(차로 폭 건설에 비해) 더 적은 양의 굴착 폐기물, 유지 관리를 위해 e-Road 시스템에 쉽게 접근할 수 있습니다[16 ].

e-Road를 위한 인에이블러 자료

e-Road는 WPT를 EV의 충전 시스템으로 채택할 수 있는 특정 재료의 자기적 특성 덕분에 현실이 되고 있습니다. 자화 가능한 재료, 콘크리트 및 아스팔트의 사용은 운송 부문에서 많은 기회를 열어줍니다[16].

콘크리트를 전도성으로 만드는 "Talga" 및 "Betotech" 솔루션은 깨끗한 그래핀, 흑연 및 광석 처리의 실리카가 풍부한 부산물을 추가한 산업 표준 시멘트를 사용하여 가능합니다. 이 그래핀 강화 콘크리트는 0.05ohm-cm의 낮은 전기 저항으로 전도성이 높습니다. 유사한 건조 상태에서 시멘트 모르타르는 약 1,000,000ohm-cm의 놀라울 정도로 높은 일반 저항을 갖습니다.

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그래핀의 SEM 이미지(Mag =500x 및 10,000x)(i.lab Italcementi 제공)

그래핀에 대한 흥미로운 대안은 자성 페라이트 입자를 골재로 사용하여 개발된 시멘트 또는 아스팔트 기반의 자화 가능한 콘크리트 재료로 구성된 "Magment"가 제안한 솔루션으로, 고주파 전류가 흐르면 자기 특성을 얻습니다. 유도. 기존 도로 건설 방식과 완벽하게 호환되도록 기존 콘크리트의 기계적 특성을 유지하는 특허 기술입니다.

WPT는 자기장을 제어하기 위해 서로 다른 자기 층이 필요합니다. 자기장을 수신기 방향으로 유도하고 지면으로 제한하기 위해 모두 필요합니다.

공학적 메타물질(MM)을 사용하여 전자파를 조작하여 송신기 코일의 우수한 효율을 달성할 수 있습니다.

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자성 물질의 분류(Magment.de 제공)

Magment의 특정 기술의 경우 자화 가능한 콘크리트 기판 아래에 반자성 메타물질(DM) 층이 있고 코일 위에 FF(Field-Focusing) 층이 있습니다[17].

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다양한 전기 자동차에 대한 효율 대 송신기 픽업 코일 거리(Magment.de 제공)

이 콘크리트는 세라믹 페라이트 제조 및 전자 스크랩 재활용 폐기물인 자화성 골재의 거의 87%로 구성됩니다. 페라이트는 망간, 아연, 칼슘, 알루미늄 등 자연계에 많이 존재하는 다양한 금속 원소의 산화철로 구성된 세라믹 소재입니다. 주목할 만한 긍정적인 측면은 페라이트 입자가 주로 페라이트 산업에서 재활용된 재료와 빠르게 증가하는 전자 폐기물 양에 의해 얻어지지만 그 전자기적 특성은 알려지지 않았을 수 있다는 점입니다[18].

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르완다 전자폐기물 재활용 시설

e-Road의 기술적 측면

e-Road는 특히 내장된 기술 장치로 인해 기존 도로보다 구조적으로 더 복잡합니다. e-Road의 내구성과 최소한의 유지 관리는 e-Road 구현에 중요한 요소입니다. 노면은 휨이나 흠집에 대한 높은 기계적 저항을 제공해야 합니다. 50~60년의 성능 수명을 가진 콘크리트 도로는 요구되는 장기 내구성을 충족할 수 있습니다. 그러나 e-Road는 최적화를 위해 더 많은 연구가 필요할 것입니다.

WPT 기반 e-Road 시스템에서 가장 중요한 구성 요소는 콘크리트 모듈과 전력 전자 장치로 만들어진 CU(Charging Unit) 슬래브입니다. 여기에는 전도성 코일 및 마그네틱 페라이트와 같은 충전 시스템이 포함됩니다.

e-Road의 구조적 무결성 개선은 매우 중요합니다. 여기에는 고품질 코팅, 응력 제거 멤브레인 또는 직물, 중요한 인터페이스의 플러그 조인트 재료, 강화 재료 및 아스팔트 오버레이의 그라데이션 사용이 포함됩니다[15][16].

응용 시나리오

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

정적, 고정 및 동적 유도 충전 기술은 다양한 애플리케이션 시나리오에서 채택될 수 있습니다.

정전기 충전 기술은 주차장, 버스 정류장의 버스 주차 및 화물을 싣거나 내릴 때 적용할 수 있습니다. 고정 충전 기술은 택시 승강장에 대기 중인 택시, 버스 정류장에 정차하는 버스, 교차로에 정차하는 차량에 적용할 수 있습니다. 동적 충전 기술은 전용 충전 차선이 있는 고속도로 및 도시 도로에서 채택될 수 있습니다[2].

WPT는 특히 대중 교통 및 물류 분야에서 가까운 장래에 채택될 가능성이 가장 높기 때문에 유효한 기술임을 입증하고 있습니다.

배터리의 비용과 자율성은 전기 버스 및 화물 차량을 채택하는 데 있어 여전히 적절한 제한 사항입니다. 그러나 이러한 종류의 차량은 항상 동일한 경로를 따르므로 WPT 동적 충전 기술을 최대한 활용할 수 있습니다. 또한 이 기술로 배터리 크기를 최대 70%까지 줄일 수 있을 것으로 추정된다. 결과적으로 전체 차량 중량을 줄이고 배터리 성능을 확장합니다.

유도 충전은 이미 2003년부터 이탈리아 토리노, 2010년부터 네덜란드 위트레흐트에서 버스에 전력을 공급하고 있습니다. 한국, 이스라엘 및 독일도 공공 전기 버스의 동적 충전을 위한 운송 네트워크를 성공적으로 구현했습니다[12][13][ 19].

반면, 노르웨이는 노르웨이 도로의 5%를 전기화하면 대형 차량에서 배출되는 배출량의 거의 절반을 줄일 수 있다는 점을 고려하여 장거리 중량화물 운송을 위한 동적 충전 구현에 중점을 두고 있습니다[6].

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

택시는 일반적으로 몇 가지 예를 들면 공항, 기차역 및 호텔과 같은 전략적 장소에 대기하거나 주차해야 합니다. 플러그인 기술로 인해 택시는 몇 시간 동안 주차에 갇히게 됩니다. 무선 기술은 이 중요한 한계를 성공적으로 극복할 수 있습니다.

오슬로가 세계 최초로 동적 WPT를 구현하는 도시가 되려고 합니다. 택시 승강장에서 천천히 이동하는 대기열에 있는 동안 전기 택시를 충전할 수 있습니다[22][23].

또한 물류 부문에서 전기 지게차 및 지상 지원 장비(GSE)와 같은 차량은 충전을 위해 정지할 필요 없이 선택된 경로를 통해 WPT의 잠재력을 활용할 수 있습니다[14][17].

'Smart Road Gotland 맥락에서 스웨덴과 같이 세계 여러 지역에서 전기 고속도로를 위한 다양한 구현 프로젝트가 개발 중입니다. " 프로젝트, Highways England의 결과로 영국에서 님의 작품입니다.

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