Por primera vez en Estados Unidos, una carretera ha cargado de forma inalámbrica un camión eléctrico que circula a velocidades de autopista, lo que demuestra una tecnología clave que podría ayudar a reducir los costos de construcción de carreteras electrificadas para que las utilicen todos los vehículos eléctricos.
El segmento experimental de la autopista prueba un sistema con patente en trámite, diseñado por ingenieros de la Universidad de Purdue. El segmento, construido por el Departamento de Transporte de Indiana (INDOT) , es un tramo de 400 metros en la autopista US 52/US 231 en West Lafayette. Investigadores de Purdue demostraron el sistema de carga inalámbrica este otoño con un semirremolque eléctrico proporcionado por Cummins.
El equipo también se asoció con AECOM; White Construction, Inc.; y PC Krause and Associates, Inc. para desarrollar e implementar varias partes del sistema.
«Con este sistema innovador, Purdue ha demostrado que alimentar vehículos comerciales grandes de forma inalámbrica no solo es técnicamente factible, sino que podría ser una solución práctica y escalable para el transporte por carretera en el mundo real», dijo Nadia Gkritza , profesora de ingeniería civil y de construcción e ingeniería agrícola y biológica de Purdue .
La demostración es parte de un proyecto de investigación de varias etapas que Purdue e INDOT comenzaron en 2018. Además de su financiación por parte de INDOT a través del Programa Conjunto de Investigación de Transporte en Purdue, el proyecto está afiliado a un Centro de Investigación de Ingeniería de la Fundación Nacional de Ciencias de cuarta generación llamado Advancing Self-sufficiency through Powered Infrastructure for Roadway Electrification (ASPIRE) .
“El INDOT se enorgullece de colaborar con Purdue en este proyecto”, declaró la comisionada del INDOT, Lyndsay Quist. “Si bien aún queda mucho por explorar, estamos viendo qué nos depara el futuro para la carga y el transporte de vehículos eléctricos de alta potencia”.
El sistema de Purdue demuestra la «transferencia inalámbrica dinámica de energía», donde «dinámica» se refiere a vehículos en movimiento. Algunos otros estados y países también han comenzado a probar carreteras diseñadas para permitir la transferencia inalámbrica dinámica de energía. Sin embargo, hacer esto posible en las carreteras, y en particular en los semirremolques y otros vehículos pesados, supone un desafío único. Dado que los vehículos viajan mucho más rápido en las carreteras que en las vías urbanas, necesitan cargarse a niveles de potencia más altos.
El sistema de carga inalámbrica, diseñado por Purdue, funciona a niveles de potencia mucho mayores que los demostrados hasta la fecha en EE. UU. En el segmento de prueba de West Lafayette, este sistema suministró 190 kilovatios a un camión que circulaba a 105 km/h.
“Para ponerlo en perspectiva, 200 kilovatios equivalen a la escala de unos cien hogares”, dijo Steve Pekarek , profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática Edmund O. Schweitzer, III de Purdue .
¿Por qué diseñar primero carreteras electrificadas para camiones?
Al adaptarse a las mayores necesidades de potencia de los vehículos pesados, el diseño de Purdue también puede soportar las menores necesidades de potencia de otras clases de vehículos.
«Este es un sistema diseñado para funcionar desde la clase más pesada de camiones hasta los vehículos de pasajeros», dijo Aaron Brovont , profesor asistente de investigación en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática Elmore Family de Purdue.
Dado que el transporte por carretera es el que más contribuye al producto interno bruto (PIB) de EE. UU. en comparación con otros modos de transporte de mercancías, la reducción de los costos de los camiones eléctricos de servicio pesado podría ayudar a atraer más inversión para la electrificación de carreteras, que compartirían todas las clases de vehículos. Si los camiones eléctricos de servicio pesado pudieran cargarse o mantenerse cargados en las carreteras, sus baterías podrían ser más pequeñas y podrían transportar más carga, lo que reduciría significativamente los costos del uso de vehículos eléctricos para el transporte de mercancías.
Las carreteras electrificadas también podrían permitir que las baterías de los automóviles de pasajeros sean más pequeñas.
“Dos de las principales barreras para la adopción de vehículos eléctricos, al menos para el público, son la ansiedad por la autonomía —’¡Dios mío! ¿Dónde voy a cargar la batería de este coche?’— y la segunda es el coste”, afirmó John Haddock , profesor de la Escuela Lyles de Ingeniería Civil y de la Construcción de Purdue. “Y gran parte de ese coste en los vehículos eléctricos se debe al tamaño de las baterías que necesitan para alcanzar esa autonomía de 400 a 480 kilómetros. Con este sistema, se podría conducir el vehículo por carretera y la batería se cargaría”.
Autopistas que cargan vehículos eléctricos como un teléfono inteligente
El sistema diseñado por los investigadores de Purdue permite que el pavimento de la carretera proporcione energía a los vehículos eléctricos de manera similar a cómo los teléfonos inteligentes usan campos magnéticos para cargarse de forma inalámbrica cuando se colocan sobre una plataforma.
“Transferir energía a través de un campo magnético a estas distancias relativamente grandes es un desafío. Y lo que lo hace aún más difícil es hacerlo para un vehículo pesado que se mueve a niveles de potencia miles de veces superiores a los que reciben los teléfonos inteligentes”, afirmó Dionysios Aliprantis , profesor de ingeniería eléctrica e informática de Purdue.
El equipo instaló bobinas transmisoras en carriles especialmente designados dentro del pavimento de hormigón. Estas bobinas envían energía a las bobinas receptoras instaladas en la parte inferior del camión.
“Cummins se enorgullece de participar en esta iniciativa al adaptar con éxito un prototipo de camión eléctrico de batería Clase 8 para integrarlo con el sistema de transferencia de energía inalámbrica dinámica de alta potencia de Purdue”, declaró John Kresse, ingeniero jefe de tecnología de Cummins. “Las pruebas en carretera resultaron excepcionalmente exitosas gracias a la sólida colaboración entre nuestros equipos. Con su alta potencia y su prometedora estructura de costos, esta tecnología representa una solución práctica y potencialmente revolucionaria para el futuro del transporte comercial en carretera”.
Otras iniciativas de carga inalámbrica de vehículos eléctricos también utilizan bobinas transmisoras y receptoras, pero no están diseñadas para los altos niveles de potencia que requieren los camiones pesados. Las bobinas diseñadas por Purdue admiten un rango de potencia más amplio: los vehículos más grandes no necesitarían varias bobinas receptoras de baja potencia en el remolque para cargar desde la carretera, lo cual se ha propuesto para satisfacer las altas demandas de potencia. En cambio, en el diseño de Purdue, se coloca un solo conjunto de bobinas receptoras debajo del tractocamión, lo que simplifica enormemente el sistema.
Los investigadores de Purdue también han diseñado las bobinas transmisoras para que funcionen dentro del pavimento de hormigón, que a menudo soporta el tráfico más pesado a pesar de que solo representa el 20% del sistema interestatal de EE . UU .
La mayoría de las implementaciones reales de carga inalámbrica en pavimento en EE. UU. son lideradas por miembros de ASPIRE. Purdue es miembro fundador de ASPIRE, y Gkritza es el director del campus de ASPIRE en Purdue.
Con sede en la Universidad Estatal de Utah, ASPIRE integra el ámbito académico, la investigación científica y las pruebas e implementaciones en el mundo real con más de 400 miembros de 10 universidades asociadas: Purdue, la Universidad de Colorado en Boulder, la Universidad de Texas en El Paso, la Universidad de Auckland en Nueva Zelanda, la Universidad Estatal de Colorado, la Universidad de Colorado en Colorado Springs, el Instituto Politécnico y la Universidad Estatal de Virginia, la Universidad de Cornell y la Universidad de Utah. A estas universidades se suman más de 70 miembros de la industria, el gobierno y organizaciones sin fines de lucro de todos los sectores del ecosistema del transporte eléctrico, así como socios y asesores comunitarios.
“Este logro refleja cómo nuestro creciente ecosistema conecta agencias públicas, industria privada e investigación académica para convertir los objetivos de electrificación en realidad, demostrando el tipo de colaboración que fortalece las bases para escalar sistemas de transporte electrificados inteligentes en todo el país”, dijo Don Linford, director de participación de la industria y el ecosistema de ASPIRE en la Universidad Estatal de Utah.
Desarrollo del estándar industrial para la construcción de carreteras electrificadas
El sistema del equipo también ha sido objeto de pruebas adicionales para ayudar a desarrollar estándares industriales para la transferencia inalámbrica dinámica de energía. Se espera que estos estándares incentiven a la industria a adoptar la tecnología, un paso crucial para que los operadores de carreteras y los departamentos de transporte de cada estado consideren invertir en infraestructura que permita la carga de vehículos eléctricos mientras se conduce. Los investigadores también planean demostrar su diseño para diversas clases de vehículos, incluyendo turismos y camiones ligeros.
En abril, el equipo de Purdue recibió el Premio a la Innovación Tecnológica en el IEEE PES Energy and Policy Forum Innovation Showcase por su trabajo en este sistema.
“Este proyecto es un ejemplo emblemático de una colaboración público-privada exitosa, que posiciona a Purdue y ASPIRE para el liderazgo a largo plazo en el transporte electrificado”, afirmó Gkritza. “También ha sido una experiencia de aprendizaje excepcional, una experiencia práctica para nuestros estudiantes: una oportunidad para ver cómo la investigación fundamental puede traducirse en infraestructura real”.
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