Verso la decarbonizzazione dei sistemi di trasporto: sperimentazione di una nuova generazione di pavimentazioni per l’applicazione della tecnologia Dynamic Power Transfer System

This dissertation deals with the experimental research on a inductive asphalt pavement capable of guaranteeing the wireless recharging of electric vehicles while in motion. The inductive recharging of EVs take place thanks to the powering of electromagnetic coils positioned under the road pavement, capable of generating a high-power electromagnetic field that can transmit energy to the batteries placed on board the vehicles during their movement. The topic is innovative for several fields of engineering. The involvement of civil engineering from an infrastructural point of view interprets and seeks to implement one of the focal themes of environmental engineering: the decarbonization of transport systems as an incipit to the reduction of CO2 emissions in human activities. Other engineering sectors involved at the headline are electrical engineering, which is necessary for the development and increase in efficiency of the wireless charging system for electric vehicles, and telecommunications engineering for data transmission. The development of the issues discussed was divided into two areas of experimentation: on site, for the full-scale design experimentation of the Dynamic Wireless Power Transfer system and the interactions involved in its operation; in the laboratory, for the verification of the operation of the system, the optimization of the transmission frequencies and amplitude, the development of simulation models and protocols, and verification in a controlled environment, so as to identify all the aleatory chemical-physical variables that influence the transmission of energy on site. The experimentation carried out on a large scale first involved the characterization of materials and additives of an innovative character used in the asphalt mixes to increase the performance of the wireless recharging system, after which a 1050 m long pilot track was designed and constructed. On the track, campaigns of experimental measurements and monitoring of the performance of the infrastructure constructed were carried out. In the laboratory, experimentation involved the construction of two prototypes for the in-depth study of the performance decay processes of asphalt materials subjected to the design loads and boundary conditions of the real site. The first prototype made it possible to reproduce the accelerated ageing of bitumen under ultraviolet radiation in the wavelength emission range of UVA, UVB and UVC. The second prototype simulated, by means of an electromagnetic coil, of the same characteristics as those installed on site, the electrical magnitudes of the electromagnetic field generated on site for recharging electric vehicles. On the bitumen and asphalt samples subjected to the electromagnetic field generated by the coil, chemical-physical and mechanical characterization analyses were carried out in order to trace the evolution of the performance decay of the materials subjected to the ageing processes. To identify and quantify the variables and phenomena that lead to the loss of the intrinsic properties and resistance of the materials, campaigns were carried out to measure the physical quantities that cause the ageing phenomena, and chemical and physical analyses were carried out to characterize in depth the bonds constituting the molecular structure of the bitumen.

Il presente lavoro di Tesi affronta la ricerca sperimentale di una pavimentazione induttiva in conglomerato bituminoso in grado di garantire la ricarica wireless dei veicoli elettrici durante la marcia La ricarica induttiva dei veicoli avverrà grazie all’alimentazione di coil elettromagnetici posizionati al di sotto della pavimentazione stradale, in grado di generare un campo elettromagnetico ad alta potenza in grado di trasmettere energia alle batterie poste a bordo dei veicoli durante il loro movimento. L’argomento trattato è innovativo per svariati campi dell’ingegneria. Il coinvolgimento dell’ingegneria civile sotto il punto di vista infrastrutturale interpreta e cerca di mettere in atto uno dei temi focali dell’ingegneria ambientale: la decarbonizzazione dei sistemi di trasporto come incipit della riduzione delle emissioni di CO2 nelle attività antropiche. Altri settori ingegneristici coinvolti in prima linea sono quelli dell’ingegneria elettrica, necessari per lo sviluppo e l’incremento dell’efficienza del sistema di ricarica wireless dei veicoli elettrici e dell’ingegneria delle telecomunicazioni per la trasmissione di dati. Lo sviluppo delle tematiche affrontate è stato suddiviso in due ambiti di sperimentazione: in sito, per la progettazione in scala reale sperimentazione del sistema Dynamic Wireless Power Transfer system e delle interazioni che comporta il suo funzionamento; in laboratorio, per la verifica del funzionamento del sistema, l’ottimizzazione delle frequenze e dell’ampiezza di trasmissione, la messa a punto di modelli e protocolli di simulazione e verifica in ambiente controllato, cosi da individuare tutte le variabili aleatorie chimico fisiche che influenzano la trasmissione dell’energia in sito. La sperimentazione fatta in larga scala ha riguardato dapprima la caratterizzazione dei materiali e degli additivi di carattere innovativo impiegati nelle miscele di conglomerato bituminoso per l’aumento delle performances del sistema di ricarica wireless, dopodichè si è proggettato e costruito un circuito pilota della lunghezza di 1050 m dove sono state svolte campagne di misurazioni sperimentali e di monitoraggio delle prestazioni dell’infrastruttura realizzata. In laboratorio, la sperimentazione ha comportato la costruzione di due prototipi per lo studio approfondito dei processi di decadimento delle prestazioni dei materiali assoggettati ai carichi di progetto e alle condizioni al contorno del sito reale. Il primo prototipo ha consentito di riprodurre l’invecchiamento accelerato del bitume a radiazioni ultraviolette nel campo di emissione della lunghezza d’onda degli UVA, UVB e UVC. Il secondo prototipo ha simulato, mediante l’utilizzo di un coil elettromagnetico, delle stesse caratteristiche di quelle installate in sito, le grandezze elettriche del campo elettromagnetico generato in sito per la ricarica dei veicoli elettrici. Sui campioni di bitume e conglomerato bituminoso sottoposti al campo elettromagnetico generato dal coil sono stati eseguite analisi di caratterizzazione chimico-fisica e meccanica al fine di tracciare l’evoluzione del decadimento prestazionale dei materiali assoggettati ai processi di invecchiamento. Al fine di individuare e quantificare le variabili e i fenomeni che comportano la perdita delle proprietà intrinseche e della resistenza dei materiali, sono state effettuate campagne di misurazione delle grandezze fisiche che provocano i fenomeni di invecchiamento e delle analisi chimiche e fisiche di caratterizzazione approfondita dei legami costituenti la struttura molecolare del bitume.