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Schnurloses Aufladen - Von Qi bis zur Stromstraße

Hohe Wirkungsgrade dank moderner Leistungselektronik: Nicht nur die Smart­phone­hersteller setzen auf schnurloses Aufladen

Hamburg - “"Ladekabel ade: Das gilt längst nicht mehr nur für die elektrische Zahnbürste. Immer mehr Smartphones bekommen ihren Strom über eine Ladeplatte. Einfaches Ablegen ohne Kabelgewirr reicht aus. Es wird nicht mehr lange dauern, bis auch Kameras und Tablets schnurlose Ladestellen integriert haben. Das lästige Anstecken von Ladeadaptern wie etwa beim iPhone wird dann Geschichte sein. Rasant entwickelt sich auch das schnurlose Aufladen für Elektromobile. Schafft es die Industrie, sich bei den neuen Technologien schnell auf einen gemeinsamen Standard zu einigen, könnte von vornherein das Netz an Stromtankstellen auf der eleganteren Schnurlostechnik aufbauen - und so der derzeit sich zäh verbreitenden Elektromobilität einen weiteren Schub geben.

Auf den ersten Blick ist es erstaunlich, dass schnurloses Aufladen nicht längst weiter verbreitet ist. Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts demonstrierte Nikola Tesla, wie sich Strom über Induktion zwischen zwei Spulen übertragen lässt. Wie in einem Trafo floss ein Wechselstrom durch die erste Spule und erzeugte ein magnetisches Wechselfeld. Wirkte dies auf eine zweite, benachbarte Spule, zirkulierte in dieser wieder Wechselstrom. „Auch in elektrischen Zahnbürsten wirkt dieses klassische Trafoprinzip“, sagt Bernd Eckart, Experte für schnurlose Stromübertragung am Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen. Lange Ladezeiten, Verluste durch Abwärme und geringe Wirkungsgrade waren die Gründe dafür, dass das Aufladen über Induktion lange Jahre in dieser Nische verharrte.

„Der Sprung aus dieser Nische wurde durch bessere Leistungselektronik in den vergangenen Jahren möglich“, sagt Eckart. Dank dieser Schaltkreise mit Materialien wie Siliziumcarbid und Galliumnitrid wird schnurloses Aufladen über die resonante induktive Kopplung zunehmend leistungsfähiger. Wird der Zahnbürstenakku noch immer mit der langsamen Netzfrequenz von 50 Hertz geladen, schnellen in modernen Ladestationen die Übertagungsfrequenzen auf über 200 Kilohertz hoch. Mit den häufigen Wechseln von elektrischen und magnetischen Feldern verringern sich die Ladezeiten auf wenige Stunden mit steigenden Wirkungsgraden von deutlich über 90 Prozent.

 

Auf der induktiven Kopplung beruhen alle verfügbaren schnurlosen Ladetechniken. Für das Aufladen von Smartphones dominiert in Europa derzeit der Qi-Standard, 2010 beschlossen vom Wireless Power Consortium, dem marktmächtige Unternehmen wie Samsung, HTC oder LG angehören. Der konkurrierende Standard der Konsortien Power Matters Alliance (PMA) und die Alliance for Wireless Power (A4WP) - entstanden aus den Systemen Powermat und Wipower - gerät zunehmend ins Hintertreffen. Die derzeit nicht kompatiblen Ladegeräte unterscheiden sich wesentlich in den genutzten Übertragungsfrequenzen. Beide stellen mindestens eine Ladeleistung von 5 Watt zur Verfügung, um Smartphones in zwei bis drei Stunden aufzuladen. Leistungsstärkere Versionen mit bis zu 120 Watt, die für Laptops geeignet sind, wurden bereits entwickelt.

Wichtiger Paramenter all dieser induktiven Ladetechniken ist die Größe der Spulen. Sie bestimmt, wie effizient das Aufladen abläuft und wie groß der Abstand zwischen Ladestation und Gerät sein darf. Je geringer der Abstand ist, desto höher sind die erzielten Wirkungsgrade, lautet die Faustregel - Wirkungsgrade von über 95 Prozent können erreicht werden. Das direkte Auflegen - Abstand etwa ein Zentimeter - von Smartphones auf Ladeplatten, die auch schon in Ikea-Möbel integriert wurden, ist daher sinnvoll und weit verbreitet.

Parallel wird jedoch an Systemen gearbeitet, die bis zu 30 Zentimeter Abstand erlauben. Magmimo, entwickelt am Massachusetts Institute of Technology (MIT), ist nur ein Beispiel. "Ein Telefon lädt sich schon auf, wenn man sich nur an einen Tisch mit integrierter Ladestation setzt", sagt MIT-Forscherin Dina Katabi. In Testläufen konnte so ein iPhone 4S ohne Auflegen auf eine Ladestation binnen fünf Stunden komplett aufgeladen werden.

Mit noch größeren Induktionsspulen und hohen Übertragungsfrequenzen lässt sich die Leistung auch in den Kilowattbereich steigern. Audi, Tesla, BMW, Daimler oder VW - alle Hersteller von Elektromobilen arbeiten an der komfortablen Aufladetechnik. Denn für E-Mobile ist das Ladekabel unhandlich, das ständige Mitführen lästig. Zahlreiche Systeme wurden gerade auf der Internationalen Automobilausstellung IAA in Frankfurt gezeigt. Es wird gemunkelt, dass VW noch dieses Jahr für seinen E-Golf ein serientaugliches Ladesystem einführen wird.

Was die automobile Ladetechnik leisten kann, lässt sich am ehesten bei den Entwicklern mehrerer Fraunhofer-Institute sehen. Auf Strom aus einer Bodenplatte setzt das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Kassel. Aus möglichst günstigen Standardkomponenten gefertigt, integrierten sie den Stromempfänger aus Spule und Leistungselektronik in den Unterboden eines Fahrzeugs. Dank Spulendurchmesser von bis zu 60 Zentimetern ist der Abstand zum Garagenboden keine unüberwindbare Hürde mehr. „Selbst bei einem Luftspalt von 20 Zentimetern erreichen wir einen Wirkungsgrad von 93 bis 95 Prozent - und das über den kompletten Leistungsbereich von 400 Watt bis 3,6 Kilowatt“, erklärt René Marklein, Projektleiter am IWES. Zudem kann die Batterie entladen werden. So können Elektrofahrzeuge etwa als Energiespeicher dienen und zur Stabilität des Stromnetzes beitragen.

Allerdings wiegt das ins Auto integrierte IWES-Ladesystem über zehn Kilogramm. „Um Gewicht und Kosten zu reduzieren, sollten die Spulen aber so klein wie möglich sein“, sagt IISB-Fraunhofer-Entwickler Bernd Eckart. Daher ist sein Lademodul mit nur noch drei Kilogramm deutlich leichter. Es ist nicht in den Unterboden, sondern in die Front eines Testfahrzeugs montiert. Bei 3,7 Kilowatt Leistung erreicht Eckardt ebenfalls hohe Wirkungsgrade über 90 Prozent. Doch dazu muss das E-Mobil so nah wie möglich an eine Ladesäule heranfahren. Parksensoren können hierbei helfen. Und um Schäden beim Rangieren zu vermeiden, lässt sich die senkrechte Ladesäule vor dem Fahrzeug wegklappen. „Wir arbeiten mit allen großen deutschen Herstellern zusammen“, sagt Eckart. So könnte auch dieses Ladesystem bald zum Einsatz kommen.

"Das induktive Aufladen von Elektromobilen wird mit Sicherheit in den nächsten Jahren kommen", sagt Eckardt überzeugt. Allerdings werde noch - wie auch bei den Smartphone-Ladestationen - an einem gemeinsamen Standard gearbeitet. So ist es nicht unwahrscheinlich, dass in der Startphase jeder Fahrzeughersteller ein eigenes Ladesystem anbieten könnte. Für die eigene Garage mag das noch praktikabel sein. Aber für ein flächendeckenden Netz an öffentlichen Stromtankstellen ist es wenig sinnvoll.

Etwas Zeit bis zur Einigung auf einen Standard bleibt allerdings noch. Denn ein möglichst schnelles Aufladen gilt als Knackpunkt für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen. Ladeleistungen von 20 Kilowatt und mehr - mit dem Kabel möglich - sind dazu gefordert. Und auch an diesem nächsten Schritt wird fieberhaft gearbeitet und in wenigen Jahren mit ersten schnurlosen Schnellladesystemen gerechnet.

Ergänzend zu den festen Ladesäulen könnte das Stromtanken sogar während der Fahrt direkt über die Straße erfolgen. Mit einer 25 Meter langen Versuchsstrecke haben Forscher der Fraunhofer-Institute für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM und für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI die Machbarkeit demonstriertDas Testfahrzeug Frecco, ein zum Elektrofahrzeug umgebauter Sportwagen, konnte die Stecke bereits in moderatem Tempo entlangfahren und gleichzeitig seine Batterie aufladen.

Weiter in diese Richtung wird derzeit in Großbritannien gedacht. Noch dieses Jahr sollen Ladespulen in eine Straße integriert werden. Verläuft die Studie erfolgreich, könnte eine öffentliche Autobahn um eine Ladespur erweitert werden. Diesen Weg beurteilt Bernd Eckardt eher skeptisch: „Die Technik ist sehr interessant, und es ließen sich auch Wirkungsgrade von 90 Prozent erreichen. Doch der Aufwand wäre sehr groß und teuer.“

Mit der Verbreitung der Induktionsladung für Smartphones und E-Mobile ist das Potenzial dieser Technologie aber noch nicht ausgeschöpft. Um größere Ladeabstände von weit über 30 Zentimetern zu erreichen, bietet sich die Stromübertragung über Strahlung an. Mit Mikrowellen oder hochfrequenten elektromagnetischen Feldern etwa kann ein ganzer Raum in eine Stromzelle verwandelt werden, in dem sich die Akkus von Laptop oder Smartphone wie von selbst aufladen. Aus über zehn Metern Entfernung konnten Entwickler des US-Unternehmens Ossia eine Leistung von einem Watt bereitstellen. "Es funktioniert wie ein WLAN-Signal, nur dass dabei Strom übertragen wird", sagt Firmengründer Hatem Zeine. „Aber diese Fernfeld-Technologien erreichen nur kleine Wirkungsgrade“, sagt Eckart. Zudem müssten Auswirkungen auf die Gesundheit durch diese Art des Elektrosmogs kritisch gesehen werden.

 

Mit Mikrowellen lässt sich - zumindest theoretisch - Strom nicht nur über wenige Meter, sondern sogar über viele Tausend Kilometer übertragen. Die Vision: Riesige Solarsegel im Erdorbit sollen Sonnenlicht sehr effizient in Strom umwandeln, der danach mit Mikrowellen zur Erde geschickt wird. Vor allem in Japan wird an dieser Technologie gearbeitet. So übertrugen Forscher der japanischen Raumfahrtagentur Jaxa bereits 1,8 Kilowatt Strom via stark fokussierter Mikrowellen 60 Meter durch die Luft. Das Unternehmen Mitsubishi soll mit einer ähnlichen Technik sogar schon zehn Kilowatt fast 500 Meter weit transferiert haben.

Aber aktuell sind vor allem die Übertragungsverluste viel zu groß, als dass sich Solarkraftwerke im All rechnen könnten. Neue Materialien für die Empfangsantennen könnten das vielleicht ändern. „Flächen aus Megamaterial sind viel bessere Energiekollektoren als klassische Antennen“, sagt Omar M. Ramahi von der kanadischen University of Waterloo. In seinem Labor zeigte er Anfang des Jahres, dass Empfänger aus streng symmetrisch aufgebautem Metamaterial - einem Areal aus 169 kleinen Kupferschleifen - nahezu die komplette Energie von elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz von drei Gigahertz einsammeln konnten. Die Forscher erreichten eine Absorptionsrate von 93 Prozent. Doch dass sich über diesen Weg auch Strom effizienter transportieren lässt, konnte Ramahi bisher nicht belegen. So bleibt die Fernübertragung von Strom derzeit ein Science-Fiction-Thema. Doch dafür wurden Anfang des 20. Jahrhunderts Teslas Induktionsversuche auch gehalten.

21. Januar 2016