Elektrifiering

Elektrifieringen av hushåll och fordon ställer nya krav på elnätet, dess kapacitet och infrastruktur, samt på gatumiljön med laddningsstationer och underhåll.

Elektrifieringen av vägtransporter började för länge sedan med elektrifierad kollektivtrafik såsom trådbussar (Brunton, 1992) men begränsade till specifika rutter är trådbussar svåra att integrera med motorbussar. Sedan dess har mycket utveckling skett inom sektorn med förflyttningen av den fysiska kontakten mellan fordon och strömförsörjning från ovanför vägen till vägytan och utveckling av kraftlagring ombord såsom batterier, vilket kan producera elektricitet för elektriska fordon när det behövs.

För att utveckla elektriska fordon ytterligare fokuseras det på flera teknologier för fordonsladdning, såsom att tillhandahålla snabbladdningsstationer vid rastplatser, eller till och med genom att tillhandahålla extern laddning längs beläggningen medan fordonet är i rörelse (dvs teknologi för dynamisk laddning av fordon). De dynamiska laddningsteknikerna är speciellt intressanta utifrån det utformningstekniska perspektivet eftersom det påverkar den tekniska utformningen av vägar direkt och dess långsiktiga prestanda under olika trafiklaster och klimatförhållanden och kräver ytterligare verifikation. För att anpassa vägarna till framtida elektrifiering kommer dessa teknologier därför att diskuteras i detalj i följande stycken, utöver föreslagna vägtestbäddar som tillåter utvärdering och jämförelse mellan två typer av dynamisk fordonsladdning som använts nyligen i Sverige.

4.3.1. Framtida elektrifiering och dess inverkan på vägar och gators tekniska

utformning

Nyligen har flera metoder utvecklats för att ladda fordon i rörelse, nämligen konduktiv och induktiv kontaktlös laddning.

Konduktiv laddning kräver en fysisk kontakt mellan den elektroniska enhetens batteri och strömförsörjningen (Ken, 2011), det vill säga metall-mot-metall-kontakt mellan laddaren och det elektriska fordonet krävs, likt ett spårvagnsspår.

Utanför Arlanda öppnades världens första elväg där en bil kan ladda batteriet under körning. Längs två kilometer av sträckan finns det elskenor. En kontakt på undersidan (dvs en elektrisk skena i vägbanan som liknar ett spårvagnsspår) gör att den helt eldrivna lastbilen kan ladda sina batterier medan den kör via en elskena i vägen (Alpama 2017), se Figur 15.

Laddsträckan är indelad i kortare sektioner och strömmen slås bara på när ett fordon passerar. Syftet är att undersöka om elektrifierade vägar kan vara ett sätt att minska utsläppen från lastbilstrafiken, som i dag står för närmare 30 procent av vägtrafikens utsläpp av växthusgaser.

Figur 15. Elskenor monteras i en två kilometer lång vägsträcka norr om Stockholm, (Källa: eRoad Arlanda).

I Lund invigdes en ny elväg under 2020 som går ut på att skenor läggs i mitten på befintlig väg. Denna teknik är baserad på en ny version av elskenor, som visas i Figur 16. Den innefatta en vägsträcka på cirka en kilometer. Den kommer kunna ladda elfordon både när de kör och står stilla (Hoseini, 2019).

Figur 16. Elektriska skenor för fordonsladdning, foto av Dina Kuttah, VTI.

Under de allra senaste åren har ett speciellt intresse vuxit för en kontaktlös laddningslösning som använder induktiv kraftöverföring (IPT) (Covic and Boys 2013). IPT-teknologin inkluderar

stillastående och dynamisk IPT-laddningsteknik. För den dynamiska IPT-laddningstekniken placeras en laddningsutrustning normalt längs en längre sträcka inuti vägbanan, utan någon fysisk kontakt med infrastrukturen (Chen, 2016). Därför är IPT-laddningstekniken extra viktig och kommer påverka den tekniska utformningen av vägar och gator.

Induktiv laddning (också känd som kabellös laddning) är en slags trådlös laddning som använder elektromagnetiska fält för att överföra energi mellan två enheter, med elektromagnetisk induktion utan laddskena (Chen, 2016; Åhman, 2018 och Janzon, 2019).

Tekniken består huvudsakligen av tre delar. Den första har att göra med väginfrastrukturen och består av kopparspolar täckta med gummi, som visas i Figur 17. Denna del är vanligtvis inbäddad 8 cm i vägkroppen i mitten av körfältet. Den andra delen är en mottagare – placerad under fordonens chassi. Kommunikationssystemet tillhandahåller en kommunikation i realtid med varje fordon. Den tredje delen är en kraftstation – ett underjordiskt system som skickar energi till vägens infrastruktur. En vägsträcka på 1,65 kilometer av dynamisk, trådlös laddning är nu färdigställts på en allmän väg på Gotland (Swartling, 2021).

Figur 17. Väginfrastruktur: Kopparspolar täckta med gummi/plast, foto av Dina Kuttah, VTI.

Enligt Åhman (2018) har konduktiv laddning många fördelar jämfört med induktiv laddning. En av dem är kostnaden. Man brukar säga att det blir 10–20 gånger dyrare med induktiv laddning. Dessutom kräver induktiv laddning jämna ytor för att inte få effektförluster, enligt Sofia Lundberg, projektledare för eRoad Arlanda (Åhman, 2018).

Elvägar kan byggas på lite olika sätt och och med olika teknologier. Lastbilar kan också laddas med el från luftledningar. Med denna teknik hämtar en hybridlastbil el från luftledningar. På lastbilens tak sitter en strömavtagare som fälls upp automatiskt när bilen närmar sig ledningen (Alpama, 2017). Denna teknik är dock utanför syftet för detta avsnitt eftersom den inte påverkar vägens tekniska utformning.

Andra typer av elektrifiering av vägar är Solcellsvägar – bland annat klassiska Route 66 i USA och i Tourouvre-au-Perche i Frankrike, se Figur 18.

Problemet med solcellsvägar är att panelerna tillverkas i glas vilket förstås har helt andra egenskaper än asfalt. Enligt företaget Solar Roadways kan glaspanelerna med hjälp av ett slags mönster göra att bilarna kan bromsa på ungefär samma sträcka som på asfalt, men här behövs fler tester, särskilt på vått underlag. Och det finns frågetecken kring hållbarheten på lång sikt och vad som händer när vägen måste snöröjas (Söderholm, 2018).

Enligt Obminska (2019) är världens första solcellsväg i Frankrike så trasig att den inte är värd att reparera. Därför rekommenderas det inte att denna teknik undersöks vidare i Sverige.

Figur 18. Solcellsväg i den lilla franska byn Tourouvre-au-Perche, (Källa: kumkum / Wikipedia/2020- 11-11).

4.3.2. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningen med framtida

elektrifiering

Den elektriska skenans påverkan på vägkroppens prestanda bör provas för långsiktig prestanda, speciellt rörande dess förmåga att motstå deformation orsakad av mycket trafik om körfältet är öppet för traditionella, tunga fordon som kan passera över elskenan. Utöver det har inbäddandet av elskenan i asfalten, vilken har annan respons på temperaturdeformationer, inte heller undersökts långsiktigt vid stora temperatur- och klimatvariationer.

Det är också en stark rekommendation att prova hur den induktiva laddningstekniken, nämligen kopparspolarna täckta med gummi, kommer motstå den verkliga tunga trafiken långsiktigt, även om de är inbäddade 8 cm under asfaltsytan.

För att validera den tekniska livslängden för en elektrifierad väguppbyggnad, visas i Figur 19 ett förslag till vanlig testbäddssektion med både konduktiv och induktiv elektrisk fordonsladdningsteknik som kan provas med hjälp av VTI:s simulator för tung trafik (HVS), med olika grundvattennivåer.

Figur 19. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida Elektrifieringen (laddningsteknik av elbilar), ej skalenligt.