Σύνοψη
- Η ελβετική spin-off του ETH Zurich, ονόματι Winduction, αναπτύσσει σύστημα ασύρματης φόρτισης που μεταφέρει ρεύμα από το οδόστρωμα στη μπαταρία του οχήματος μέσω των ελαστικών.
- Η ενσωμάτωση των επαγωγικών πηνίων στο εσωτερικό του τροχού εκμηδενίζει την απόσταση μετάδοσης, επιτυγχάνοντας ενεργειακή απόδοση που ξεπερνά το 90%.
- Η μέθοδος απαιτεί την πλήρη αφαίρεση του χάλυβα από τα ελαστικά των λεωφορείων, προκειμένου να αποφευχθεί η μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμότητα.
- Η συχνή τροφοδοσία κατά τη διάρκεια των δρομολογίων επιτρέπει τη χρήση αισθητά μικρότερων μπαταριών, μειώνοντας το συνολικό βάρος και το κόστος κτήσης των οχημάτων.
- Οι πρώτες πιλοτικές δοκιμές με επιβάτες προγραμματίζονται για το 2028 στο δίκτυο δημόσιων συγκοινωνιών γύρω από το αεροδρόμιο της Ζυρίχης.
Το σύστημα της Winduction βασίζεται στην τεχνολογία της συζευγμένης μαγνητικής επαγωγής, τοποθετώντας το πρώτο σύνολο πηνίων σε μια ειδική πλάκα εδάφους ενσωματωμένη στο οδόστρωμα των στάσεων. Το δεύτερο σύνολο πηνίων βρίσκεται στο εσωτερικό του ελαστικού του λεωφορείου, επιτρέποντας την άμεση μεταφορά ενέργειας κατά τη διάρκεια της στάθμευσης για την επιβίβαση των επιβατών, με την απόδοση του συστήματος να ξεπερνά το 90%.
Η μετάβαση των δημόσιων συγκοινωνιών στην ηλεκτροκίνηση έχει αποκαλύψει σημαντικές τεχνικές προκλήσεις που σχετίζονται άμεσα με τη διαχείριση της ενέργειας και το υπερβολικό βάρος των οχημάτων. Μέχρι σήμερα, οι διαχειριστές των αστικών στόλων βασίζονται κυρίως στη νυχτερινή φόρτιση των λεωφορείων στα αμαξοστάσια, χρησιμοποιώντας τεράστιες μπαταρίες και σταθμούς τροφοδοσίας υψηλής ισχύος με ογκώδη καλώδια. Οι συστοιχίες μπαταριών αυξάνουν κατακόρυφα το απόβαρο των οχημάτων, προκαλώντας αυξημένη και ταχύτερη φθορά στα μηχανικά μέρη, ενώ παράλληλα δεσμεύουν πολύτιμο χώρο που θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για την αύξηση της χωρητικότητας των επιβατών.
Ο Laurin Schwitter, απόφοιτος του ETH και CEO της Winduction, μαζί με τους συνιδρυτές Sylvain Fricker και Sonam Bhuka, εστίασαν στο γεγονός ότι τα ηλεκτρικά λεωφορεία θα μπορούσαν να λειτουργήσουν πολύ πιο αποδοτικά εάν αναπλήρωναν την ενέργεια τους ασύρματα και τακτικά κατά τη διάρκεια της κανονικής τους λειτουργίας στους δρόμους της πόλης. Η επαγωγική φόρτιση χρησιμοποιείται ήδη ευρέως σε καταναλωτικά ηλεκτρονικά και αρχίζει να εφαρμόζεται δειλά στα επιβατικά ηλεκτρικά αυτοκίνητα, μεταφέροντας ρεύμα μέσω ενός αόρατου μαγνητικού πεδίου μεταξύ ενός πηνίου στο έδαφος και ενός στο κάτω μέρος του οχήματος.
Η απόσταση μεταξύ του οδοστρώματος και του αμαξώματος ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με τον τύπο του οχήματος και το φορτίο του, προκαλώντας δραματική πτώση στην αποτελεσματικότητα της ενεργειακής μεταφοράς όσο μεγαλώνει το κενό. Οι μηχανικοί της ελβετικής εταιρείας παρατήρησαν ότι το μοναδικό τμήμα κάθε οχήματος που βρίσκεται πάντα σε απόλυτη και σταθερή επαφή με το έδαφος είναι οι τροχοί του. Βασισμένοι σε αυτή την αρχή, δημιούργησαν τη μέθοδο «wheel-based induction», τοποθετώντας τα πηνία λήψης ακριβώς μέσα στο ελαστικό, εκμηδενίζοντας έτσι την απόσταση μετάδοσης και περιορίζοντας τις ενεργειακές απώλειες σε ποσοστό μικρότερο του 10%.
Η πρόκληση της κατασκευής ελαστικών χωρίς χάλυβα
Η μεταφορά του μαγνητικού πεδίου μέσα από τα ελαστικά δημιούργησε ένα αναπάντεχο κατασκευαστικό εμπόδιο για την ομάδα ανάπτυξης. Τα συμβατικά ελαστικά των βαρέων οχημάτων περιέχουν ισχυρά χαλύβδινα πλέγματα στο εσωτερικό τους, τα οποία προσφέρουν την απαραίτητη δομική σταθερότητα για να αντέχουν το τεράστιο βάρος του οχήματος. Ο χάλυβας όμως αντιδρά έντονα με τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, λειτουργώντας ουσιαστικά ως επαγωγικός θερμαντήρας που θα μετέτρεπε το μεγαλύτερο μέρος της πολύτιμης ηλεκτρικής ενέργειας σε άχρηστη και δυνητικά επικίνδυνη θερμότητα, καταστρέφοντας το ελαστικό.
Για να παρακάμψουν αυτόν τον σκόπελο, οι ερευνητές συνεργάστηκαν με εξειδικευμένους κατασκευαστές για την εξέλιξη μιας εντελώς νέας κατηγορίας ελαστικών λεωφορείων, τα οποία απουσιάζουν πλήρως από χαλύβδινα στοιχεία. Αν και η διαδικασία έρευνας και παραγωγής τέτοιων εξειδικευμένων ελαστικών αυξάνει το κόστος ανά μονάδα, η συνολική επιβάρυνση θεωρείται πρακτικά αμελητέα όταν συνυπολογιστεί στη συνολική επένδυση για την αγορά και την πολυετή συντήρηση ενός ηλεκτρικού λεωφορείου, ενώ ταυτόχρονα ανοίγει τον δρόμο για τη χρήση συνθετικών υλικών υψηλής αντοχής.
Οικονομικά και ενεργειακά οφέλη για τους αστικούς στόλους
Οι εταιρείες διαχείρισης αστικών συγκοινωνιών αξιολογούν τις επενδύσεις τους βασιζόμενες στο συνολικό κόστος ιδιοκτησίας και λειτουργίας καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής μιας λεωφορειακής γραμμής, λαμβάνοντας υπόψη το κόστος κτήσης, την κατανάλωση ενέργειας, τις δαπάνες συντήρησης και τις υποδομές. Οι μελέτες της Winduction, χρησιμοποιώντας ως μοντέλο τη διαδρομή μεταξύ του Αεροδρομίου της Ζυρίχης και της περιοχής Oerlikon, έδειξαν ριζική μείωση των απαιτούμενων δαπανών σε σύγκριση με το παραδοσιακό μοντέλο φόρτισης στα αμαξοστάσια.
Τα οχήματα που αναπληρώνουν την ενέργεια τους διαρκώς μέσα στην ημέρα μπορούν να εξοπλιστούν με δραστικά μικρότερες μπαταρίες, γίνονται άμεσα φθηνότερα στην αγορά τους και μπορούν να φιλοξενήσουν περισσότερους επιβάτες λόγω του μειωμένου βάρους. Στη συγκεκριμένη διαδρομή των 24 στάσεων, θα απαιτούνταν πλάκες φόρτισης μόνο σε δύο σημεία, επιτρέποντας στα λεωφορεία να απορροφούν ενέργεια για περίπου 3 ώρες συνολικά μέσα σε μια βάρδια 16 ωρών. Μια τέτοια αρχιτεκτονική δικτύου μειώνει επίσης δραματικά την ανάγκη διατήρησης επιπλέον εφεδρικών οχημάτων, καθώς δεν απαιτείται να αποσύρονται τα λεωφορεία από την κυκλοφορία για πολύωρες φορτίσεις.
Η ημερήσια φόρτιση επιλύει ένα τεράστιο πρόβλημα για τα εθνικά δίκτυα ηλεκτροδότησης. Τα τρέχοντα ηλεκτρικά λεωφορεία της γραμμής του αεροδρομίου καταναλώνουν τεράστια ποσά ενέργειας όταν φορτίζουν ταυτόχρονα κατά τη διάρκεια της νύχτας. Από την άλλη, η σταδιακή απορρόφηση ενέργειας κατά τη διάρκεια της ημέρας συμπίπτει απόλυτα με τις ώρες αιχμής της παραγωγής από φωτοβολταϊκά συστήματα, καθιστώντας την ηλεκτρική ενέργεια άφθονη και σημαντικά φθηνότερη, προστατεύοντας ταυτόχρονα το δίκτυο από τις βραδινές υπερφορτώσεις.
Η spin-off του ETH κατασκευάζει ήδη πλήρεις υποδομές δοκιμών στην πόλη Winterthur, έχοντας εξασφαλίσει την υποστήριξη του Ομοσπονδιακού Γραφείου Μεταφορών και του Ελβετικού Ιδρύματος για το Κλίμα. Η πρώτη πραγματική δοκιμή σε συνθήκες λειτουργίας με επιβατικό κοινό έχει προγραμματιστεί για το 2028, με τους επιβάτες να μην αντιλαμβάνονται την ασύρματη και εντελώς αθόρυβη ροή ενέργειας από το οδόστρωμα προς το όχημα τους.
