Wie Bauingenieure einen innovativen Prototyp einer Ladestation für Elektroautos entwickeln

Ab dem 1. Mai finden Bauarbeiten an einem Viertelmeilenabschnitt der Autobahn statt, der zum Testen der drahtlosen Energieübertragung auf einen schweren Elektro-LKW genutzt werden soll. (Bild: Purdue University/Greta Bell)

Genau diese Frage beantwortet ein Team aus Bauingenieuren und Wissenschaftlern der Purdue University im US-Bundesstaat Indiana im Rahmen der Initiative „Advancing Sustainability through Power Infrastructure for Road Electrification Initiative“ (ASPIRE) der US-National Science Foundation, die zum Engineering Research Center-Programm der Gruppe gehört.

Die Idee ist einfach: Bauen Sie ein straßenintegriertes Elektroladesystem, das die Ladung der Elektrofahrzeugbatterien von Fahrzeugen bis zur Größe eines Sattelschleppers drahtlos aufrechterhält.

Bei dem Projekt „Dynamic Wireless Power Transfer“ (DWPT) handelt es sich um ein Produkt, das bereits in stationärer Form für Endbenutzer existiert.

John Haddock, Professor für Bauingenieurwesen an der Purdue University, der die Rolle der Universität im Projekt leitet, sagt: „Sie können die Technologie für stationäres Laden kaufen. Sie könnten eine solche in Ihre Garage stellen, sodass sie, wenn Sie die Abdeckung darüber ziehen, Ihr Auto auflädt und Sie nichts anschließen müssen.“

Haddock sagte, sein Team greife auf dieses Konzept zurück und mache es dynamisch, indem es es in Straßen einbaue, sodass selbst Fahrzeuge so groß wie Sattelschlepper – die mit 105 km/h fahren – eine Ladung aufrechterhalten könnten.

„Das bedeutet, dass die Autos während der Fahrt tatsächlich Ladung aus dem System entnehmen können“, erklärt er und weist darauf hin, dass zur Übertragung elektrischer Energie ein Magnetfeld verwendet wird. „Das System ist ein induktives System.“

Haddock stellt klar, dass die Technologie wahrscheinlich nicht leistungsstark genug sei, um die Ladung des Fahrzeugs zu erhöhen, aber eine Entladung während der Benutzung der Elektrostraße verhindern würde.

John Haddock (links), Professor an der Purdue University, und Oscar Moncada, Doktorand, untersuchen eine Betonplatte mit drahtloser Energieübertragungstechnologie. Die Maschine im Hintergrund wurde so konstruiert, dass sie die halbe Achse eines Sattelschleppers nachahmt, um die Funktionalität des Prototyps zu testen. (Bild: bereitgestellt von Consensus Digital Media)

„Das System [könnte] die Batterie in kleineren Fahrzeugen aufladen“, spekuliert Haddock und sagt, dass ein Truck wie der Ford F-150 Lightning seine Reichweite beim Fahren auf Ladeautobahnen tatsächlich erhöhen könnte.

Purdue hat zusammen mit dem US-Motoren- und Stromerzeugungshersteller Cummins, dem Indiana Department of Transportation (InDOT), dem amerikanischen Infrastrukturberatungsunternehmen AECOM, den Ingenieuren PC Krause and Associates und dem Bauunternehmer White Construction an dem Projekt gearbeitet, dessen Bau am 1. April begann. Sobald der Bau des Prototyps abgeschlossen ist, werden bis zum Herbst 2024 Testläufe durchgeführt.

Der Prototyp nutzt die gleiche Technik wie Smartphones zum kabellosen Aufladen, wenn sie auf einer Landeplattform abgelegt werden. Er befindet sich auf einem kleinen Straßenabschnitt der US-Autobahnen 231 und 52 in West Lafayette im US-Bundesstaat Indiana.

Die Ladetechnik wurde so konzipiert, dass sie in bestehende Straßennetze nachgerüstet werden kann.

Laut Purdue plant InDOT schließlich den Bau eines 400 Meter langen Testgeländes, um speziell die Ladekapazität von Beton für schwere Lastwagen mit 200 kW und mehr zu testen. Die Prüfung ist jedoch nicht für die Öffentlichkeit bestimmt, da die Ladefunktion nur während der Testzeiträume aktiviert wird.

Wirtschaftliche Rentabilität „spekulativ“

Es ist zwar noch zu früh, davon auszugehen, dass Ladestraßen für Elektrofahrzeuge eine zentrale Rolle in Amerikas Zukunft spielen werden, doch das DWPT-Projekt hat erhebliches Potenzial, wenn es einer Einrichtung oder Gemeinde gelingt, die Wirtschaftlichkeit zu ermitteln.

„Diese Technologie wird funktionieren“, sagt John Kresse, Direktor für Hybrid- und Elektrifizierungstechnologien bei Cummins, „aber die wirtschaftliche Rentabilität ist höchst spekulativ.“

Cummins stellt den batteriebetriebenen Elektro-LKW zur Verfügung, der zum Testen des DWPT eingesetzt wird. Das Fahrzeug wird in das Ladesystem von Purdue integriert, um die Ladeleistung besser überwachen zu können.

Bei einem Pilotprojekt, das voraussichtlich 2025 starten soll, werden die schwarzen Spulen im Vordergrund dieses Fotos verwendet, um Strom auf den schweren elektrischen Cummins-Lkw im Hintergrund zu übertragen. (Bild: Purdue University/Greta Bell)

Haddock von Purdue schlug ein ähnliches Modell wie bei Schnellstraßen oder Mautstraßen vor, um die Kosten zu decken: Die Fahrer zahlen für den Zugang zur Lademöglichkeit und zahlen pro Nutzung.

In den frühen Phasen gibt es jedoch (verständlicherweise) mehr Fragen als Antworten.

„Kann es kosteneffizient eingesetzt werden und wird es genutzt, um diese Kosten wieder einzuspielen? Können die ‚Kosten der Stromübertragung‘ für die Flottenbetreiber relativ vergleichbar mit dem kabelgebundenen Laden gemacht werden?“, fragt Kresse rhetorisch.

Wenn ein Mehrwert erzielt werden kann, „kann dies enorme Vorteile bringen, indem es einem batteriebetriebenen Elektro-Lkw eine hohe Reichweite ermöglicht, die mit dem Aufladen verbundenen Standzeiten [eliminiert oder verkürzt] und die Batteriegröße [reduziert]“, antwortet er.

Das DWPT-Konzept, so Haddock, lasse sich am besten auf Autobahnen mit hohem Verkehrsaufkommen umsetzen, insbesondere auf Autobahnen mit erheblichem Güter- und Überlandverkehr.

„Nicht alle Straßen brauchen das“, sagt Haddock. „Kosteneffektiv ist es nur, wenn es für schwere Lastwagen ausgelegt ist, [und] nicht alle Gehwege brauchen das; nicht die gesamte Länge.“

Haddock fügt hinzu, dass es für das staatliche Verkehrsministerium klug wäre, die Technologie künftig gestaffelt einzuführen.

„Vielleicht haben Sie es zehn Meilen (16 km) lang und dann haben Sie 20 Meilen (32 km) lang nichts mehr“, meinte Haddock.

Kresse verweist auf Untersuchungen, denen zufolge diese Technologie nur auf 20 Prozent der US-Autobahnen ausgebaut werden müsste, um eine Wirkung zu erzielen.

„Die Industrie wird nicht verlangen, dass 100 Prozent der Autobahnen über eine dynamische drahtlose Energieübertragung verfügen“, bestätigt er, merkt aber an, dass dies bei 20 Prozent dennoch ein kostspieliges Unterfangen sei.

Wie hoch der Preis in einem Jahrzehnt oder später auch sein mag, mindert das Potenzial nicht, und das Verkehrsministerium von Indiana wartet gespannt auf eine Zukunft mit selbstladenden drahtlosen Straßen.

„Bei Erfolg steht das Zeitfenster für weitere Innovationen weit offen, die nach Abschluss des Testpilotprojekts diskutiert werden würden“, sagt InDOT.

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