Hydrogen versus wireless-supported e-mobility: a comprehensive analysis of heavy duty vehicle applications for sustainable transportation

Due to pressing environmental concerns, the imperative need for sustainable transportation has never been more evident. But from the Roman Empire through the development of the internal combustion engine in the 20th century, roads have also become increasingly essential arteries of everyday commerce where efficiency and reliability are most important. Indeed, many metropolitan areas currently have chronic traffic congestion, which delays transportation and increases fuel consumption and emissions. Congestion is projected to intensify as the global population expands and urbanization develops, making it even more difficult for commercial trucks to travel effectively. In recent years, society has witnessed the adverse effects of traditional heavy-duty vehicle transportation, including escalating carbon emissions and resource depletion therefore, there is a rising emphasis on decreasing transportation’s carbon impact. To achieve emissions regulations, future commercial road transportation may need to rely more on alternative fuels, electric cars, and other technologies. This transition necessitates significant infrastructural upgrades, such as the installation of charging stations or hydrogen filling stations along motorways. Autonomous driving, vehicle-to-vehicle communication, and sophisticated navigation systems are anticipated to be included in future commercial vehicles that also have dedicated functions for interaction in order to reduce emissions for example, to avoid two vehicles converging at an intersection together and being forced to brake with great energy dissipation, one can manage the slowing down of one and the acceleration of the other in order to avoid simultaneous convergence. Existing road infrastructure may not be able to accommodate new technologies, needing changes such as enhanced signs, communication infrastructure, and sensor integration. Hence, the expanding commercial road transport scenario, which includes technology developments, environmental concerns, and growing demand, offers substantial challenges to the adequacy of today’s road and highway infrastructure. To address these difficulties, significant investments, legislative reforms, and novel solutions will be required to ensure that future commercial transportation demands are addressed effectively and sustainably. The purpose of this paper is to provide, after a comprehensive and in-depth assessment of two pioneering technologies that are set to play a big part in the transformation of heavy-duty commercial transportation, an installation solution of the two technologies, designing the installation hypotheses, sizing their individual components, calculating their technical characteristics, analyzing their economic aspects, up to the comparison of individual installations and their impact on investment and infrastructure. • The two cutting-edge technologies analyzed that are expected to change heavy-duty commercial transportation are: 1. Hydrogen Fuel Cells: An examination of hydrogen fuel cell technology, including its operating principles, energy conversion process, and the obstacles and benefits of using hydrogen as a clean energy source for heavy-duty vehicles. 2. Wireless Charging Systems: an in-depth examination of wireless charging systems, covering electromagnetic induction and resonant coupling methods, efficiency, and possible uses of wirelessly charged heavy-duty vehicles for long-term e-mobility. • Energy Source and Supply Chain Analysis: sources and supply channels are linked with both technologies. It will investigate the production, delivery, and sustainability of hydrogen and energy required for wireless charging, offering information on their dependability and environmental effects. • Future Outlook and Industry Trends: the heavy commercial transport sector has new trends and their potential to play an important role in addressing the growing problems of sustainable transport. • Policy and Regulatory Landscape: an examination of the existing policy and regulatory frameworks governing hydrogen and wireless-enabled e-mobility in heavy-duty transportation will be carried out. Examining government incentives, industry standards, and any possible hurdles or facilitators to adoption are all part of this process. • Project and calculation of system size: the work proposes to hypothesize a scenario of hydrogen production infrastructure dedicated to supplying the heavy vehicle fleet transecting a 100-km-long section of highway (A4) in which the installation of all the equipment necessary to supply the H2-fueled heavy vehicles is assumed, i.e., the feeding, production compression, storage, and refueling of the considered fleet. The considered fleet is considered as an assigned percentage from the hypothesized scenario of the entire traffic on the route. Two different time scenarios are going to be assessed: 2030 and 2050. Infrastructure implementation is considered, accounting for their siting and sizing. • Infrastructure Requirements and Scalability: A key component of the project and calculation of system size is determining the infrastructure required to support hydrogen and wireless charging methods. It will make calculations on the scalability, availability, and cost-effectiveness of establishing and sustaining infrastructure such as hydrogen filling stations and wireless charging networks. • Economic Feasibility: finally, the economic project will be developed with the aim of allowing decision-makers to make the right choices, having available all the parameters both technical and economic for each of the different assumed scenarios. Costs from capital expenditures, current operating expenses, and possible cost savings will be calculated. Finally, the research provides stakeholders with a comprehensive understanding of the options and challenges involved in adopting hydrogen or wireless-supported e-mobility technologies for heavy-duty vehicles, ranging from policymakers and industry professionals to researchers and environmental technicians. In summary, this work shows that the two technologies, although with many points in favor of carbon reduction, result in two different strategic philosophies. Thus, while hydrogen generates smaller strictly production-related investments, it necessitates significant vehicle investment; wireless technology shifts almost the entire investment burden to the infrastructure, greatly limiting the investment on the individual vehicle. These kinds of considerations, well fleshed out with detailed numerical analyses, enable decision-makers to make informed choices and contribute to the continuing transitions to sustainable transportation solutions by providing a thorough examination of various possibilities.

Di fronte alle pressanti preoccupazioni ambientali, la necessità imperativa di un trasporto sostenibile non è mai stata così evidente. Ma dall'Impero Romano fino allo sviluppo del motore a combustione interna nel 20° secolo, le strade sono diventate sempre più arterie essenziali del commercio quotidiano, dove l'efficienza e l'affidabilità sono fondamentali. Infatti, molte aree metropolitane sono attualmente caratterizzate da una congestione cronica del traffico, che non solo ritarda i trasporti, ma aumenta anche il consumo di carburante e le emissioni. Si prevede che la congestione si intensificherà con l'espansione della popolazione mondiale e lo sviluppo dell'urbanizzazione, rendendo ancora più difficile per i veicoli pesanti viaggiare in modo efficace. Negli ultimi anni, la società ha assistito agli effetti negativi del trasporto tradizionale con veicoli pesanti, tra cui l'aumento delle emissioni di carbonio e l'esaurimento delle risorse. Per questo motivo, si sta ponendo sempre più l'accento sulla riduzione dell'impatto del trasporto sulle emissioni di carbonio. Per rispettare le normative sulle emissioni, il futuro trasporto commerciale su strada potrebbe dover fare maggiore affidamento su carburanti alternativi, auto elettriche e altre tecnologie. Questa transizione richiede significativi aggiornamenti infrastrutturali, come l'installazione di stazioni di ricarica o di stazioni di rifornimento di idrogeno lungo le autostrade. Si prevede che la guida autonoma, la comunicazione da veicolo a veicolo e i sofisticati sistemi di navigazione saranno inclusi nei futuri veicoli commerciali, che avranno anche funzioni dedicate all'interazione per ridurre le emissioni: ad esempio, per evitare che due veicoli convergano insieme a un incrocio e siano costretti a frenare con grande dissipazione di energia, si può gestire il rallentamento di uno e l'accelerazione dell'altro per evitare la convergenza simultanea. L'infrastruttura stradale esistente potrebbe non essere in grado di accogliere le nuove tecnologie, che necessitano di modifiche come la segnaletica potenziata, l'infrastruttura di comunicazione e l'integrazione dei sensori. Pertanto, lo scenario in espansione del trasporto commerciale su strada, che comprende sviluppi tecnologici, preoccupazioni ambientali e una domanda crescente, pone sfide sostanziali all'adeguatezza delle attuali infrastrutture stradali e autostradali. Per affrontare queste difficoltà, saranno necessari investimenti significativi, riforme legislative e soluzioni innovative per garantire che le future richieste di trasporto commerciale siano affrontate in modo efficace e sostenibile. Lo scopo del lavoro è quello di fornire, dopo una valutazione completa e approfondita di due tecnologie pionieristiche destinate a svolgere un ruolo importante nella trasformazione del trasporto commerciale pesante, una soluzione di installazione delle due tecnologie, progettando le ipotesi di installazione, dimensionando i singoli componenti, calcolando le caratteristiche tecniche, analizzando gli aspetti economici, fino al confronto delle singole installazioni e del loro impatto sugli investimenti e sulle infrastrutture. - Le due tecnologie all'avanguardia analizzate che si prevede cambieranno il trasporto commerciale pesante sono: 1. Celle a combustibile a idrogeno: Un esame della tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno, compresi i principi di funzionamento, il processo di conversione dell'energia e gli ostacoli e i vantaggi dell'utilizzo dell'idrogeno come fonte di energia pulita per i veicoli pesanti. 2. Sistemi di ricarica wireless: un esame approfondito dei sistemi di ricarica wireless, che comprende i metodi di induzione magnetica e di accoppiamento risonante, l'efficienza e i possibili utilizzi dei veicoli pesanti con ricarica wireless per la mobilità elettrica a lungo raggio. - Analisi delle fonti energetiche e della catena di approvvigionamento: le fonti e le direttrici di approvvigionamento sono collegati a entrambe le tecnologie. Verranno analizzate la produzione, la consegna e la sostenibilità dell'idrogeno e dell'energia necessaria per la ricarica wireless, offrendo informazioni sulla loro affidabilità e sull'effetto ambientale. - Prospettive future e tendenze dell'industria: il settore del trasporto commerciale pesante presenta nuove tendenze e il loro potenziale per svolgere un ruolo importante nell'affrontare i crescenti problemi del trasporto sostenibile. - Politica e panorama normativo: verrà effettuato un esame delle politiche e dei quadri normativi esistenti che regolano l'idrogeno e la mobilità elettrica wireless nel trasporto pesante. L'esame degli incentivi governativi, degli standard industriali e di ogni possibile ostacolo o facilitazione all'adozione fanno parte di questo processo. - Progetto e calcolo delle dimensioni del sistema: il lavoro propone di ipotizzare uno scenario di infrastruttura di produzione di idrogeno dedicata al rifornimento della flotta di veicoli pesanti che attraversa un tratto autostradale di 100 km (A4), in cui si ipotizza l'installazione di tutte le attrezzature necessarie al rifornimento dei veicoli pesanti alimentati a H2, ovvero l'alimentazione, la produzione, la compressione, lo stoccaggio e il rifornimento della flotta considerata. La flotta è considerata come una percentuale assegnata allo scenario ipotizzato dell'intero traffico sul percorso. Si valutano due diversi scenari temporali: 2030 e 2050. Si considera l'implementazione delle infrastrutture, tenendo conto della loro ubicazione e del loro dimensionamento. - Requisiti dell'infrastruttura e scalabilità: Una componente chiave del progetto e del calcolo delle dimensioni del sistema è la determinazione dell'infrastruttura necessaria per supportare l'idrogeno e i metodi di ricarica wireless. Verranno effettuati calcoli sulla scalabilità, sulla disponibilità e sull'efficacia dei costi per la creazione e il mantenimento di infrastrutture come le stazioni di rifornimento di idrogeno e le reti di ricarica wireless. - Fattibilità economica: infine, il progetto economico sarà sviluppato con l'obiettivo di consentire ai decision-makers di fare le scelte giuste, avendo a disposizione tutti i parametri sia tecnici che economici per ciascuno dei diversi scenari ipotizzati. Saranno calcolati i costi delle spese di capitale, le spese operative correnti e i possibili risparmi. Infine, la ricerca fornisce alle parti interessate una comprensione completa delle opzioni e delle sfide che comporta l'adozione di tecnologie di mobilità elettrica a idrogeno o senza fili per i veicoli pesanti, dai responsabili politici ai professionisti del settore, dai ricercatori ai tecnici ambientali. In sintesi, questo lavoro dimostra che le due tecnologie, pur avendo molti punti a favore della riduzione delle emissioni di carbonio, danno luogo a due filosofie strategiche diverse. Così, mentre l'idrogeno genera investimenti minori strettamente legati alla produzione, richiede investimenti significativi per i veicoli; la tecnologia wireless sposta quasi interamente l'onere degli investimenti sull'infrastruttura, limitando notevolmente l'investimento sul singolo veicolo. Questo tipo di considerazioni, ben corredate da analisi numeriche dettagliate, consentono ai decision-makers di fare scelte informate e contribuiscono alla continua transizione verso soluzioni di trasporto sostenibili, fornendo un esame approfondito delle varie possibilità.