Das Ende des Kabels

Die induktive Übertragung von Elektrizität durch die Luft ist seit über einem Jahrhundert ein Traum von Ingenieuren, aber erst jetzt sieht es so aus, als ob die drahtlose Energieübertragung endlich Realität werden könnte. Im Internet der Dinge (IoT) könnte die Abschaffung der Kabel eine neue Welt von Anwendungen eröffnen.

Die Vorboten einer drahtlosen Zukunft beginnen, diese Technologie zu einem breiteren Markt zu machen. Dabei arbeiten alle Beteiligten auf ein Ziel hin: Die Stromkabel, die bisher zum Aufladen von Elektrofahrzeugen und für industrielle Anwendungen benötigt wurden, werden unweigerlich in den Müll wandern. An ihre Stelle tritt die drahtlose Stromübertragung – eine Technologie, die dank intensiver Investitionen in Forschung und Entwicklung rasante Fortschritte macht.

Bei Konsumgütern hat die drahtlose oder induktive Energieübertragung bereits Einzug gehalten und für viel Furore gesorgt. Das gilt nicht nur für Smartphones, sondern schon seit einiger Zeit auch für elektrische Zahnbürsten und ähnliche Geräte. Im industriellen Bereich hingegen geht es mit der drahtlosen Energieübertragung bisher nur zögerlich voran, weil die zu übertragende Leistung hier im Kilowattbereich liegt, während sie bei den Kleingeräten des Consumer-Marktes nur wenige Watt beträgt. Darüber hinaus fordert die Industrie bessere Managementbausteine, eine einheitliche, standardisierte Designarchitektur und robustere Materialien.

Die drahtlose Übertragung großer Leistungen hat sich in den letzten Jahren intensiviert – parallel zum Wachstum der industriellen Automatisierung und der autonomen Systeme. Die drahtlose Energieübertragung wird auch eine wichtige Rolle im industriellen Internet der Dinge (IIoT) spielen, dem schnell wachsenden Bestand an vernetzten Maschinen, Computern und Sensoren, die alles vom Gesundheitswesen über Flugzeuge bis hin zur Energieerzeugung intelligenter und effizienter machen werden.

Die drahtlose Energieübertragung macht diese Anwendungen nicht nur mobiler. Durch den Wegfall von Steckern und Buchsen können sie auch vollständig abgedichtet werden, so dass sie in einer Vielzahl von schwierigen Umgebungen zuverlässig arbeiten können. Stellen Sie sich vor: Industrieroboter werden sich autonom von einer Station zur nächsten bewegen können, um dort zu sein, wo sie gebraucht werden, und sie werden sich aufladen, wann und wo es am günstigsten ist.

„Kabellose Energieübertragung ist ein Weg, um Energie durch die Luft zu übertragen, ohne Kabel, ohne Stecker. Sie basiert auf der Verwendung eines ‚luftumspülten Resonanztransformators‘, einer Technologie, die es schon seit mehr als einem Jahrhundert gibt“, sagt Thomas Stout, Leiter des Bereichs induktiver Belag bei HDR, einem auf Ingenieur- und Umweltdienstleistungen spezialisierten Planungsbüro. „Kabel, die sich über Böden und Schreibtische schlängeln, sind ein alltäglicher Anblick, seit Elektrowerkzeuge und andere industrielle Elektrogeräte vor mehr als einem Jahrhundert Einzug in unsere Häuser hielten, aber diese Zeiten könnten bald vorbei sein.

Vereinfacht ausgedrückt funktioniert die induktive Energieübertragung so: Eine Spule in einem Sender verbindet sich mit einer anderen Spule in einem Empfänger, der je nach System einige Zentimeter oder einige zehn Zentimeter entfernt ist. Zusammen bilden diese beiden Spulen eine Art virtuellen Transformator. Der Sender sendet Energie in Form eines elektromagnetischen Feldes aus, die im Empfänger zur Erzeugung eines elektrischen Stroms genutzt wird. Dieser wiederum kann zum Aufladen einer an die Empfängerspule angeschlossenen Batterie verwendet werden.

Es gibt eine Reihe von Standards für die drahtlose Energieübertragung, die sich für unterschiedliche Anwendungsszenarien herausgebildet haben.

Mobile Geräte: Qi (ausgesprochen „chee“) ist der weltweite De-facto-Standard für das kabellose Aufladen von kleinen elektronischen Geräten mit einer Leistung von 5-15 Watt. Obwohl er in erster Linie zum Aufladen von Smartphones verwendet wird, kann der Standard auch für die Stromversorgung einer wachsenden Zahl von Verbrauchergeräten verwendet werden. Mit mehr als 3.700 Qi-zertifizierten Produkten, die heute auf dem Markt sind, bietet Qi ein positives und sicheres kabelloses Ladeerlebnis. Ladegeräte für Laptops und Tablet-Computer werden derzeit entwickelt, um diese höheren Leistungsstufen sicher zu unterstützen und es den Verbrauchern zu ermöglichen, dieselbe Technologie zum Aufladen von Laptops und Mobiltelefonen zu nutzen.

Haushaltsgeräte: Der im Entstehen begriffene Standard Ki Cordless Kitchen baut auf dem Erfolg des Qi-Standards für das kabellose Laden von Mobilgeräten auf. Unser Ziel ist es, einen Standard zu schaffen, der die Entwicklung von sichereren, intelligenteren und bequemeren Küchengeräten ermöglicht. Dadurch werden Interoperabilität und Sicherheit gewährleistet, während Designern und Herstellern ausreichend Gestaltungsfreiheit bleibt, um ihre Produkte zu differenzieren.

Die Norm definiert Sender und vielseitige Kochfelder, die drahtlos bis zu 2200 Watt Leistung an intelligente, kabellose Küchengeräte liefern, so dass diese ohne lästige Kabel betrieben werden können. Diese Kleingeräte, wie Reiskocher, Toaster, Mixer, Kaffeemaschinen, Fritteusen und andere, werden mit Strom versorgt, indem sie einfach auf die in den Induktionskochfeldern installierten Sender gesetzt werden oder unter einer normalen, nicht aus Metall bestehenden Arbeitsplatte, einem Kochfeld oder einem Tisch versteckt werden. Die Geräte werden dann durch induktive Energieübertragung mit Strom versorgt, ohne dass ein Kabel im Weg ist. Ein Normentwurf befindet sich derzeit in der Entwicklung.

Leichte Elektrofahrzeuge (LEVs): Die Beliebtheit von Elektrofahrrädern hat als bequeme und umweltfreundliche Fortbewegungsart schnell zugenommen, und dieses Wachstum wird voraussichtlich noch viele Jahre anhalten. Derzeit werden E-Bikes und andere LEVs mit einem kabelgebundenen, proprietären Ladegerät aufgeladen, das in der Regel mit dem Kauf des LEVs geliefert wird. Dies ist vergleichbar mit den Anfängen der Mobiltelefone, bei denen jedes Gerät sein eigenes, speziell entwickeltes Ladegerät hatte, bis das standardisierte USB-Laden als gemeinsame Schnittstelle eingeführt und später vorgeschrieben wurde.

Das Wireless Power Consortium (WPC), eine Entwicklungsgruppe mit mehr als 400 Mitgliedsunternehmen aus der ganzen Welt, arbeitet an einer Standardisierung, die LEVs mit leistungsstärkeren Ladelösungen zu den gleichen oder geringeren Kosten wie die heutigen Ladegeräte ermöglichen soll.

Industrie: Unbemannte Robotergeräte wie Roboterarme in der Schwerindustrie, Drohnen zur Überwachung von Gaspipelines oder Strommasten, autonom gesteuerte Fahrzeuge (AGV) in der Logistik und vieles mehr müssen häufig aufgeladen werden. Bislang war die am weitesten verbreitete Methode zum Aufladen dieser Geräte der Metallkontakt, aber diese Methode wirft ernsthafte Sicherheitsprobleme auf und ist für unfreundliche oder unvorhersehbare Umgebungen ungeeignet. Lieferdrohnen oder fahrerlose Transportfahrzeuge (FTS) können beispielsweise nicht aufgeladen werden, wenn sie nass geworden sind, z. B. wenn sie draußen im Regen standen.

Drahtlose Energieübertragung. Der WPC ist der Ansicht, dass dies die Lösung für ein sicheres und bequemes Aufladen von Robotern, FTS und anderen industriellen Automatisierungsmaschinen im industriellen Sektor ist. Ohne Anschluss an einen Port oder eine Steckdose, ja sogar ohne physischen Kontakt, kann ein FTS oder ein anderes industrielles Gerät drahtlos die benötigte Energie beziehen.

Die drahtlose industrielle Energieübertragung erhöht nicht nur die Sicherheit, sondern trägt auch zur Senkung der Gesamtkosten bei. Da für den Ladevorgang kein menschliches Eingreifen erforderlich ist, können automatisierte Industrieanlagen, die für das kabellose Laden ausgelegt sind, ihre Ladevorgänge so planen, dass sie sich nicht auf die Betriebsabläufe auswirken, was die Ausfallzeiten verringert. Die Möglichkeit, die Häufigkeit des Ladevorgangs zu steuern, bedeutet, dass diese Geräte weniger schwere Batterien verwenden können. Dies ist nicht nur kostengünstiger, sondern die daraus resultierende Gewichtsreduzierung bedeutet, dass das Gerät einen leichteren Motor, kleinere Räder und ein weniger umfangreiches Navigationssystem verwenden kann.

In ferner Zukunft ist das dynamische drahtlose Energieübertragung (dynamic wireless power transfer, oder WPT) der heilige Gral des Aufladens von Elektrofahrzeugen. Bei diesem System werden Spulen in den Fahrbahnbelag eingelassen, wodurch Strom führende Autobahnabschnitte entstehen. Fahrzeuge, die über diese Abschnitte fahren, könnten ihre Batterien bei voller Geschwindigkeit aufladen. Dies hat große Auswirkungen auf Personenkraftwagen, aber noch größere Auswirkungen auf den Langstrecken-Lkw-Verkehr und ermöglicht den Transport von Waren über Hunderte von Kilometern, ohne dass extrem große Batterien mitgeführt werden müssen.

Dynamische Ladeinfrastrukturen könnten auch eine alternative Einnahmequelle für Unternehmen darstellen, ähnlich wie Mautstraßen, die es den Infrastruktureigentümern ermöglichen, von den Nutzern Gebühren für die Stromversorgung ihrer Fahrzeuge oder für den Zugang zu speziellen Ladespuren zu verlangen. Ein flächendeckender dynamischer ÖPNV ist wahrscheinlich noch viele Jahre entfernt, aber Pilotprogramme auf der ganzen Welt beweisen bereits heute die Realisierbarkeit dieser Technologie.