Drahtlose Energieübertragung

Grundidee und Bedeutung

Bei der drahtlosen Energieübertragung wird elektrische Energie berührungslos von einem Objekt auf ein anderes übertragen. Die Energie wird also nicht über elektrische Leitungen und Kontakte zugeführt, sondern über nicht drahtgebundene elektromagnetische Felder. Dazu kann auch Licht gehören, zum Beispiel ein Laserstrahl.

Die wichtigste und am weitesten verbreitete Methode ist die induktive Energieübertragung. Im Nahbereich von einigen Zentimetern erreicht sie einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad von ungefähr 70-90 %. Typische Anwendungen sind das Laden von Akkus in Mobilgeräten wie elektrischen Zahnbürsten oder Mobiltelefonen. Außerdem wird sie eingesetzt, um Energie zwischen feststehenden und bewegten Maschinenteilen oder zwischen einem Fahrweg und darauf bewegten Fahrzeugen zu übertragen.

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten: Nahfeldübertragungen und Fernfeldübertragungen. Nahfeldübertragungen heißen auch nicht strahlende Kopplung. Bei ihnen spielen Wellenphänomene keine Rolle; ein wichtiges Beispiel ist die induktive Kopplung über den magnetischen Fluss. Fernfeldübertragungen heißen auch strahlende Energieübertragung und beruhen auf elektromagnetischen Wellen, etwa Funkwellen oder Licht. Der wichtigste Unterschied liegt in der Reichweite: Nahfeldkopplung ist technisch meist auf kurze Distanzen von einigen Zentimetern bis wenigen Metern begrenzt. Fernfeldübertragung kann größere Distanzen überbrücken, ist in technischen Anwendungen aber auf sehr kleine Leistungen beschränkt, weil die Freiraumdämpfung den Wirkungsgrad meist weit unter 1 % drückt.

Nahfeldverfahren

Die induktive Kopplung nutzt ein magnetisches Wechselfeld. Im Sender erzeugt ein Oszillator dieses Feld. Die Übertragung erfolgt durch Gegeninduktion zwischen zwei Spulen: einer Spule L1 im Sender und einer Spule L2 im Empfänger. Der Wechselstrom in der Sendespule induziert in der Empfangsspule eine Wechselspannung. Diese wird zum Beispiel beim Laden von Akkumulatoren gleichgerichtet und als Gleichspannung an einen Verbraucher oder Laderegler weitergegeben. Das Prinzip ähnelt einem Transformator, nur sind die beiden Spulen lose gekoppelt.

Der Abstand zwischen den Spulen ist die drahtlose Übertragungsstrecke und sollte möglichst klein sein. Typisch sind wenige Zentimeter bis einige 10 cm. Wird der Abstand größer, nimmt der Streufluss stark zu, die Kopplung sinkt und der Wirkungsgrad verschlechtert sich. Übliche überbrückbare Abstände liegen ungefähr beim Spulendurchmesser bis zum doppelten Spulendurchmesser. Der Frequenzbereich reicht von einigen 10 kHz bis in den MHz-Bereich. Anwendungen sind RFID-Transponder, kontaktlose Ladegeräte, Energieversorgung zwischen bewegten Maschinenteilen sowie spezielle Schienensysteme und elektrisch betriebene Fahrzeuge wie der Transrapid.

Die resonant induktive Kopplung erweitert die induktive Kopplung, um die Reichweite zu vergrößern. Zwischen Sende- und Empfangsspule werden ein oder mehrere freie Schwingkreise angebracht. Ein Schwingkreis besteht aus einem Kondensator C und einer Spule L; seine Resonanzfrequenz wird auf die Übertragungsfrequenz abgestimmt. Resonanz bedeutet hier, dass das System bei dieser Frequenz besonders gut Energie aufnimmt und weitergibt. Dadurch verbessert sich die magnetische Kopplung. Die Schwingkreise sollten einen möglichst hohen Gütefaktor haben. So sind größere Reichweiten und bessere Wirkungsgrade möglich, ungefähr über das 4- bis 10-fache des Spulendurchmessers. 2007 wurde am Massachusetts Institute of Technology unter idealen Laborbedingungen mit einem Spulendurchmesser von 25 cm über 2 m eine elektrische Leistung von 60 W bei einem Wirkungsgrad um 40 % übertragen. Kommerziell wird dieses Verfahren unter Namen wie WiTricity oder etaLINK angeboten. Im kommerziellen Bereich werden auch stabile Wirkungsgrade von 93 % genannt.

Die kapazitive Kopplung nutzt statt des magnetischen Feldes das elektrische Feld E zwischen zwei Metallplatten. Diese Platten bilden einen Kondensator C; der Raum dazwischen ist die drahtlose Übertragungsstrecke. Die Kondensatoren werden mit Wechselspannung aus einem Oszillator gespeist. Auf der Verbraucherseite wird gleichgerichtet, damit eine Gleichspannung für den eigentlichen Verbraucher entsteht. Dieses Verfahren hat nur geringe praktische Bedeutung, weil bei höheren Leistungen hohe elektrische Spannungen zwischen den Metallplatten auftreten. Außerdem müssen die Abstände klein bleiben, damit der Wirkungsgrad nicht stark sinkt.

Fernfeldverfahren

Bei Fernfeldübertragungen wird Energie mit elektromagnetischen Wellen übertragen. Das Prinzip ähnelt der Übertragung von Radiosignalen. Auch ein gerichteter Laserstrahl kann zur Fernfeldübertragung dienen: Der Laser wird auf eine Photozelle gerichtet, die optische Leistung in elektrische Leistung umwandelt.

Für Informations- und Signalübertragung eignen sich Fernfeldverfahren gut. Für drahtlose Energieübertragung sind sie aber meist ungünstig, weil hohe Verluste auftreten. Dazu gehören die Freifelddämpfung und die Verluste bei der Umwandlung, zum Beispiel im Laser oder in der Photozelle. Insgesamt entstehen dadurch sehr geringe Wirkungsgrade, oft weit unter 1 %.

Ein praktisches Beispiel ist der Detektor-Empfänger, ein einfacher Radioempfänger für Mittelwelle. In der Nähe leistungsstarker Sender kann er seine Stromversorgung allein aus dem Funksignal beziehen und braucht keine zusätzliche Batterie. Abgesehen von wenigen speziellen Anwendungsfällen, etwa RFID-Technologie, haben technisch realisierbare Fernfeldübertragungen wegen des sehr geringen Wirkungsgrades kaum praktische Bedeutung für die Energieübertragung.

Standards für Mobilgeräte

Für Mobilgeräte wie Mobiltelefone und für das kabellose Aufladen eingebauter Akkumulatoren gibt es mehrere Industriestandards.

Der Qi-Standard wird vom Wireless Power Consortium getragen, das am 17. Dezember 2008 gegründet wurde. Qi ist ein globaler Standard für das Aufladen elektronischer Produkte mit induktiver Kopplung. Zum Wireless Power Consortium gehören über 200 Mitglieder, darunter Hersteller von Mobiltelefonen, Unterhaltungselektronik und Batterien, außerdem Netzwerkbetreiber, Möbelhersteller und Automobilzulieferer. Seit Mitte 2010 gibt es Qi zur induktiven Energieübertragung an Mobilgeräte bis 5 Watt. Der Qi-Standard 1.2 unterstützt bis zu 15 Watt. „Fast Wireless Charging“ wird laut Artikel bisher nur von einigen aktuellen Samsung-Galaxy-Modellen unterstützt. Sowohl aktuelle Smartphones als auch einige ältere Modelle unterstützen Qi.

AirFuel Induktiv, früher mit Powermat verbunden, geht auf die Power Matters Alliance zurück, die unter anderem von Procter & Gamble und Powermat Technologies im März 2012 gegründet wurde. Sie unterstützt einen von Powermat Technologies entwickelten Standard zur Ladung von Endgeräten mittels induktiver Kopplung. Nur wenige Geräte haben diese Technik direkt eingebaut, darunter Samsung Galaxy S6/S6 Edge(+) bis Galaxy S8(+). Häufig werden passende Ladeschalen und Akkus angeboten. Bekannt wurde Powermat auch dadurch, dass in verschiedenen Starbucks- und McDonald’s-Filialen Auflademöglichkeiten angeboten werden.

AirFuel Resonant, auch Rezence genannt, verwendet resonante magnetische Kopplung. Es stammt von der Alliance for Wireless Power, in der sich Unternehmen wie Intel, Qualcomm, Samsung, Broadcom und Integrated Device Technology zusammengeschlossen haben. Im Februar 2014 kündigten die zuvor konkurrierenden Konsortien von Powermat und Rezence an, ihre Standards gegenseitig kompatibel zu machen, um eine größere Interoperabilität beim kabellosen Laden zu erreichen.

Elektrofahrzeuge und Sicherheit

Auch bei Elektrofahrzeugen spielt drahtlose Energieübertragung eine Rolle, vor allem als induktives Laden. In der Deutschen Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik (DKE) gibt es den Arbeitskreis AK 353.0.1, der Ende 2010 den Entwurf einer Anwendungsregel zum induktiven Laden von Elektrofahrzeugen erstellte. Auf der Internationalen Automobil-Ausstellung im September 2015 wurden zwei induktive Ladesysteme gezeigt: Qualcomm präsentierte das Halo System, Bombardier-Transportation ein PRIMOVE System für 3,6 kW und Audi das Audi Wireless Charging (AWC).

Bei drahtloser Energieübertragung müssen außerdem die Emissionen elektromagnetischer Felder beachtet werden. Es gelten die jeweiligen Standards und Normen zur elektromagnetischen Verträglichkeit, abgekürzt EMV, und zur elektromagnetischen Wirkung auf Anwender im Rahmen der elektromagnetischen Umweltverträglichkeit, abgekürzt EMVU. Dazu gehören Grenzwerte; besonders die Grenzwerte der ICNIRP bilden die Grundlage für viele lokale Standards.