Bahan Revolusi Membuat Jalan Listrik Berkelanjutan menjadi Nyata

Sektor transportasi telah menunjukkan berkontribusi secara signifikan terhadap perubahan iklim global dan emisi CO2 [1]. Kendaraan listrik (EV) dianggap strategis dalam transisi menuju planet energi bersih [2].

Pengadopsi EV janji akan membawa banyak manfaat lingkungan, sosial, dan ekonomi seperti peminimalkan polutan udara, udara kota yang lebih bersih, emisi kebisingan yang lebih sedikit, dan peningkatan ekonomi [3]. EV dapat secara signifikan mengurangi konsumsi energi dan emisi gas rumah kaca, terutama ketika sumber energi dialihkan ke sumber energi bersih seperti angin dan surya [4][5].

Manfaat dari adopsi EV yang luas tampak luar biasa, namun tantangan untuk penerimaan umum masih signifikan. Meskipun EV baru-baru ini telah berkembang secara signifikan baik dalam performa maupun jarak tempuh, mereka masih menderita keterbatasan seperti bobot, ukuran dan biaya baterai, jaringan infrastruktur pengisian daya yang kecil atau tidak ada, durasi pengisian daya yang lama, dan biaya relatif tinggi dibandingkan kendaraan tradisional [3].

Pengembangan infrastruktur EV adalah isu krusial yang harus dihadapi untuk mencapai adopsi EV yang luas. Dalam konteks ini, jalan listrik memainkan peran penting yang dapat memungkinkan pengatasan batasan dari difusi EV.

Keterbatasan Baterai EV

Untuk mengatasi keterbatasan krusial EV, mendorong pengembangan dan optimisasi baterai EV lebih jauh tampak di antara solusi yang jelas. Namun, asumsikan bahwa perbaikan dalam teknologi baterai berhasil, masih ada tantangan lain terkait iklim, lingkungan, atau akses ke sumber daya yang belum teratasi.

Keselamatan berkelanjutan sekitar baterai EV masih belum sepenuhnya teratasi. Secara fundamental, penting untuk memahami apakah litium, kobalt, dan nikel, logam kunci yang dibutuhkan untuk baterai traksi Li-ion, dapat diekstrak secara berkelanjutan tanpa menyangkal asumsi dasar dari EV sebagai sarana untuk berkelanjutan [6].

Misalnya, pertambangan kobalt terutama terkonsentrasi di salah satu negara yang paling tidak berkembang di dunia, Republik Demokratik Kongo. Negara ini memiliki transparansi yang terbatas dalam rantai nilai kobalt, selain bukti kuat pelanggaran hak asasi manusia, kondisi kerja yang berbahaya, pekerjaan paksa, dan pekerja anak [7][8]. Pemasok litium harus mempertimbangkan pertimbangan sourcing etis. Selain itu, tidak dijamin bahwa permintaan baterai Lithium-ion akan selalu terpenuhi [9][10].

Teknologi Pengisian Daya EV

Perbaikan teknologis mencakup bahkan teknologi pengisian daya EV. Teknologi pengisian daya EV saat ini dapat diklasifikasikan sebagai plug-in, konduktif, dan induktif.

Pengisian plug-in dapat mengisi hampir semua EV yang ada, tetapi EV harus diparkir dan secara fisik dihubungkan ke sumber energi. Di sisi lain, dengan teknologi pengisian konduktif, EV akan berada dalam kontak dengan garis daya melalui pantograf saat bergerak, yang memungkinkan transfer energi yang tinggi dalam waktu singkat.

Dalam teknologi induktif yang lebih baru, juga dikenal sebagai Wireless Power Transfer (WPT), daya ditransfer secara nirkabel ke EV melalui penginduktif saat bepergian atau selama jeda singkat [2][11].
Singkatnya, teknologi WPT dapat dijelaskan sebagai berikut:

• Listrik dari jaringan mengirim arus melalui gulungan transmisi;
• Arus menghasilkan medan magnet;
• Medan magnet menginduksi arus dalam gulungan penerima, yang disejajarkan pada frekuensi yang sama;

Meskipun masih bukan teknologi matang, WPT dapat mengatasi banyak keterbatasan yang telah menghambat difusi EV [12].

Teknologi induktif dapat menawarkan banyak keuntungan, seperti [13]:

• Rentang baterai yang meningkat, yang berarti pengurang ketakutan jarak;
• Baterai yang lebih kecil dan pengisian daya yang lebih cepat, yang berarti mobilitas yang meningkat;
• Pengemudi tidak harus berhadapan dengan kabel kotor dan potensial berbahaya (hujan, kabel, vandalisme, dll.), dan proses pengisian daya lebih mudah.

e-Roads untuk Pengisian Nirkabel

Jalan listrik (e-Roads) mungkin tampak seperti visi sci-fi, tetapi mereka hadir lebih cepat dari yang kita kira. e-Roads memungkinkan, secara teori, untuk mengisi daya secara nirkabel jumlah tak terbatas EV saat bergerak, sehingga menghindari bottleneck di stasiun pengisian daya [6].

Teknologi WPT near-field yang diterapkan dalam e-Roads dapat mengirimi listrik secara induktif ke perangkat penerima, dengan daya tinggi tetapi jarak udara yang terbatas. Perkembangan signifikan dalam hal daya pengisian, jarak transfer, efisiensi dan keamanan sistem WPT telah dilakukan dalam dekade terakhir, dengan sangat mendorong penerapannya praktis [14]. Selain itu, merangka jalan untuk pengisian dinamis, pada skala penuh, mungkin lebih berkelanjutan daripada menggunakan baterai besar dalam banyak kendaraan listrik [13].

Teknologi konstruksi e-Road sedang dikembangkan, baik dengan instalasi in-situ atau prefabrikasi, dan diklasifikasikan sebagai [15]:

• Cara berbasis parit (konstruksi pada lapisan bawah permukaan atau permukaan rata);
• Cara mikro-parit (galihan pada bawah permukaan saja);
• Penggantian jalur penuh (konstruksi lebar jalur penuh pada lapisan bawah permukaan atau permukaan rata);
• Lebar jalur penuh prefabrikasi (lapisan bawah permukaan atau permukaan rata).

Manfaat potensial dari opsi konstruksi berbasis parit dan mikro-parit termasuk periode instalasi yang lebih pendek (dibandingkan dengan konstruksi lebar jalur penuh), volume limbah gali yang lebih rendah, dan akses yang mudah ke sistem e-Road untuk pemeliharaan [16].

Bahan Penguat untuk e-Roads

e-Roads menjadi kenyataan berkat properti magnetik dari bahan spesifik yang memungkinkan adopsi WPT sebagai sistem pengisian daya EV. Penggunaan bahan yang dapat dimagnetkan, beton dan aspal, membuka banyak peluang di sektor transportasi [16].

Solusi “Talga” dan “Betotech” untuk membuat beton konduktif mungkin menggunakan semen standar industri dengan tambahan grafit murni, grafit, dan samping kaya silika dari pengolahan biji [17]. Beton yang ditingkatkan grafit ini sangat konduktif dengan resistivitas listrik rendah 0,05 ohm-cm. Pada kekeringan yang sama, mortir semen memiliki resistivitas umum yang luar biasa sekitar 1,000,000 ohm-cm.

Alternatif menarik untuk grafit adalah solusi yang diusulkan oleh “Magment”, yang terdiri dari bahan beton yang dapat dimagnetkan, baik berbasis semen atau aspal, yang dikembangkan dengan menggunakan partikel ferrit magnetik sebagai agregat, yang memperoleh properti magnetik ketika arus listrik frekuensi tinggi diinduksi. Ini adalah teknologi terpaten yang mempertahankan properti mekanik beton konvensional agar sepenuhnya kompatibel dengan praktik konstruksi jalan konvensional.

WPT membutuhkan lapisan magnetik yang berbeda untuk mengontrol medan magnet, baik untuk memimpin medan ke arah penerima dan untuk membatasinya menuju tanah.

Menggunakan metamaterial (MM) yang direkayasa, mungkin untuk mencapai efisiensi yang unggul dari gulungan transmisi dengan memanipulasi gelombang elektromagnetik.

Dalam kasus khusus teknologi Magment, lapisan Metamaterial Diamagnetik (DM) diletakkan di bawah substrat beton yang dapat dimagnetkan dan lapisan Field-Focusing (FF) di atas gulungan [17].

Beton ini terdiri dari hampir 87 persen agregat yang dapat dimagnetkan yang merupakan samping dari pembuatan ferrit keramik dan daur ulang limbah elektronik. Ferrit adalah bahan keramik yang terdiri dari oksida besi dari berbagai elemen logam yang sangat banyak di alam seperti mangan, seng, kalsium, dan aluminium. Sisi positif yang luar biasa adalah partikel ferrit terutama diperoleh dari material daur ulang dari industri ferrit dan jumlah sampah elektronik yang tumbuh pesat, meskipun properti elektromagnetik mereka mungkin tidak diketahui [18].

Aspek Teknologis e-Roads

e-Roads secara struktural lebih kompleks daripada jalan tradisional, terutama karena perangkat teknologis yang tertanam. Ketahanan dan pemeliharaan minimum e-Roads adalah faktor kunci untuk implementasi e-Road. Permukaan jalan harus memberikan resistensi mekanik tinggi terhadap lenturan atau rongga. Jalan beton, dengan umur pakai 50-60 tahun, dapat memenuhi ketahanan jangka panjang yang diperlukan. Namun e-Roads akan memerlukan penelitian lebih lanjut untuk optimasinya.

Komponen terpenting dalam sistem e-Road berbasis WPT adalah slab unit pengisian (CU) yang terbuat dari modul beton dan elektronika daya. Ini mencakup sistem pengisian, seperti gulungan konduktif dan ferrit magnetik.

Peningkatan integritas struktural e-Roads sangat penting. Ini mencakup penggunaan lapisan pelapis berkualitas tinggi, membrane atau kain penyelegan, bahan sambungan plug di antarmuka kritis, bahan diperkuat, dan gradasi lapisan aspal [15][16].

Skena­rio Aplikasi

Teknologi pengisian induktif, statis, stasioner, dan dinamis, dapat diadopsi dalam berbagai skenario aplikasi.

Teknologi pengisian statis dapat diadopsi di area parkir mobil, area parkir bus di stasiun bus, dan kendaraan pengiriman saat memuat atau membongkar. Teknologi pengisian stasioner dapat diadopsi di taksi yang antrian di taksi rank, bus yang berhenti di halte bus, dan kendaraan yang berhenti di persimpangan. Teknologi pengisian dinamis dapat diadopsi di tol dan jalan perkotaan dengan lajur pengisian khusus [2].

WPT terbukti sebagai teknologi yang valid, karena adopsi kemungkinan besar akan terjadi di masa dekat, terutama di bidang transportasi publik dan logistik.

Biaya dan otonomi baterai masih keterbatasan yang relevan dalam adopsi armada bus listrik dan kendaraan pengiriman. Namun, jenis kendaraan ini selalu mengikuti jalur yang sama, sehingga mereka dapat memanfaatkan teknologi pengisian dinamis WPT secara maksimal. Selain itu, diperkirakan bahwa dengan teknologi ini, ukuran baterai dapat dikurangi hingga 70%. Ini, akibatnya, mengurangi bobot kendaraan secara keseluruhan dan memperpanjang kinerja baterai.

Pengisian induktif sudah memberi daya bus di Torino, Italia, sejak 2003 dan di Utrecht, Belanda, sejak 2010. Korea Selatan, Israel dan Jerman juga telah berhasil mengimplementasikan jaringan transportasi untuk pengisian dinamis bus listrik publik [12][13][19].

Sedangkan, Norway berfokus pada implementasi pengisian dinamis untuk pengiriman barang berat dalam jarak jauh, mempertimbangkan bahwa eletrifikasi 5% jalan Norwegia akan memotong hampir setengah emisi dari kendaraan berat [6].

Taksi biasanya perlu antrian atau diparkir di tempat strategis di bandara, stasiun kereta api, dan hotel, untuk menyebut beberapa. Teknologi plug-in memaksa taksi untuk terjebak di parkir selama beberapa jam. Teknologi nirkabel dapat berhasil mengatasi keterbatasan krusial ini.

Oslo akan menjadi kota pertama di dunia untuk mengimplementasikan WPT dinamis, mengaktifkan pengisian daya taksi listrik saat mereka dalam antrian bergerak perlahan di taksi rank [22][23].

Selain itu, di sektor logistik, kendaraan seperti forklift listrik dan peralatan dukungan tanah (GSE) dapat memanfaatkan potensi WPT melalui rute yang dipilih tanpa perlu berhenti untuk mengisi daya [14][17].

Berbagai proyek implementasi untuk mengelektrifikasi tol sedang dikembangkan di berbagai bagian dunia, seperti di Swedia dalam konteks proyek “Smart Road Gotland”, dan di U.K sebagai hasil dari pekerjaan Highways England.