Kontaktlose Energieübertragung

Teslas Traum näher kommen

Modellbeispiel einer kontaktlosen Energieübertragung: Das Handy lädt kabellos auf der »Ladematte«.

Mit der kontaktlosen Übertragung von elektrischer Energie zu kleinen, mobilen Elektronikgeräten, mit oder ohne Akku, kündigt sich so etwas wie eine neue Revolution in der Elektro- und Elektronikindustrie an, die hinter anderen wie WLAN und Bluetooth nicht zurücksteht. Entwickler und Konstrukteure der für das kontaktlose Aufladen oder Betreiben in Frage kommenden Geräte müssen sich jetzt vorbereiten, wenn sie ihre neuen Produkte für den neuen Trend fit machen wollen.

Die israelische Firma Powermat [1], die in Hong- Kong bzw. Südchina ansässige Firma ConvenientPower [2] und die US-amerikanische Firma PowerBeam [3] waren schon auf der weltgrößten Konsumgütermesse CES in Las Vegas im letzten Jahr unter denjenigen Ausstellern, die bereits erste kontaktlose Akku-Ladesysteme präsentierten. Über kurz oder lang werden solche Energieübertragungssysteme zum bequemen Aufladen der Akkus von Mobiltelefonen, Kameras, MP3-Spielern, Smartphones, portablen Spielkonsolen, Notebooks und vielen weiteren Geräten dieser Art einsetzbar sein. Doch die Anwendungsmöglichkeiten der kontaktlosen Übertragung von elektrischer Energie gehen noch viel weiter.

Powermat beschreibt die kommende neue Situation so: Sicher, einfach, effizient und kontaktlos elektrische Energie zu Oberflächen wie Wänden, Tischen, Fluren und Schreibtischen bringen. Die konstruktiven Vorstellungen der Firma laufen dahin, die bisher notwendigen Vielfachsteckdosen – für die dauerhafte Stromversorgung von Geräten als auch zum Laden von Akkus – durch lokal frei positionierbare kontaktlose Energieübertragung zu ersetzen. Einen ersten Eindruck, wie das zukünftig in einem größeren Büroraum aussehen kann, demonstriert das Unternehmen auf seinen Internetseiten [1]. In der Rubrik »Innovation« kann sich der Internetbesucher anhand von Kurzvideos schon mal auf die Zukunft vorbereiten: In einem Video wird das gleichzeitige Betreiben unterschiedlicher präparierter Kleingeräte wie Mobiltelefon und Energiesparlampe (ca. 15 W) auf einem Ladekissen mit einer Größe von ca. 30 cm × 30 cm vorgeführt. Im einem anderen Video geht es anspruchsvoller zu: Dort werden auf einer „Tischplatte“ mit Abmessungen von ca. 80 cm × 80 cm größere Geräte kontaktlos in Betrieb gebracht: Mixer, Schreibtischlampe, Radiowecker.

WildCharge, Inc.

Bild 1. Auf die Ladematte der Fa. WildCharge [11] können mehrere Handgeräte zum Laden abgelegt werden. Da die Empfänger-Elektronik noch nicht werksseitig in den Geräten integriert wird, sind spezielle Empfängermodule in Form einer Gehäusehülle anzust

Der Grundaufbau des Systems ist immer derselbe: Prinzipiell besteht eine drahtlose Ladevorrichtung aus einem an das Stromnetz angeschlossenen zentralen Energiesender (Transmitter) und einem Empfänger (Receiver). Bei Nutzung eines elektromagnetischen Feldes zur Energieübertragung (es gibt auch andere Varianten) kann der Sender z.B. eine ebene, sehr dünne »Ladematte« sein, auf welcher die Energieempfänger abgelegt werden (Bild 1). Die zu ladenden oder zu betreibenden Geräte werden an den Energieempfänger angeschlossen. Die Energieempfänger selbst können als kleine selbstständige Geräte in Kästchen- (Case) oder Scheibenform (Power Disc) ausgeführt sein. Sie verfügen über universelle, definierte Anschlussmöglichkeiten für einzelne Geräte, z.B. in Form von USB-Ports. Es gibt jedoch auch artspezifische Energieempfänger in Form von Dockingstationen (z.B. für iPod). Zukünftig, wenn die Normung soweit fortgeschritten ist, werden die Energieempfänger als kleine Module in die Geräte selbst integriert werden. Zum Aufladen oder Betreiben reicht dann das einfache Auflegen des Gerätes auf einen oder das Einbringen in einen Energie-Hotspot. Auf jeder Ladematte von Powermat lassen sich gleichzeitig drei bis sechs völlig unterschiedliche Empfänger positionieren. Kernpunkt des Systems ist ein festgelegtes Datenprotokoll zwischen Sender- und Empfängereinheit, welches den Gerätetyp berücksichtigt und den Zusammenarbeitsmodus mit jedem Empfänger bzw. Gerät individuell kontrolliert. Nach dem Auflegen des Empfängers mit angeschlossenem Gerät erkennt das Protokoll:

Schon heute gibt es bei Powermat Ladestationen unterschiedlicher Größe: kleine für den individuellen häuslichen Bereich (Home/Modular) und »am Bett« (Bedside), größere für Büros (Desk), spezifische für die Reise und für PCs.

Wireless elecTricity: WiTricity

Die WiTricity – Abkürzung von wireless electricity – genannte Technik könnte für den Umgang mit elektronischen Geräten eine Revolution darstellen [4]. In Las Vegas sahen die Besucher der Messe unter anderem digitale Bilderrahmen, Lautsprecher und Lampen, die nicht über Stromkabel und Steckdose, sondern kontaktlos mit Energie versorgt wurden. In Zukunft könnte es auch Elektrizitäts-Hotspots in Cafes, Konferenzzentren, Bibliotheken, Hochschulen, Bahnhöfen und Flughäfen geben, so wie es dort heute Internet-Hotspots gibt. PowerBeam kann mit seiner Technik derzeit kabellos 1,5 W übertragen, Powermat augenscheinlich bereits wesentlich mehr. Um einen Laptop mit Strom zu versorgen, wären 30 W bis 50 W nötig. Es ist sicher noch viel Arbeit zu leisten, bevor es mit der breiten praktischen Anwendung, zumindest in den Regionen höherer Ladeleistung, »richtig losgeht«. Doch was sind ein oder zwei  Jahre in unserer schnelllebigen Elektronikwelt? Klar ist, dass die weitere Reduzierung des Energiebedarfs elektrischer Geräte nicht nur ein für die Umweltschonung wichtiger Faktor ist, sondern dass geringerer Energiebedarf auch den breiten Einsatz kontaktloser Ladetechniken bzw. kontaktloser Betriebsweisen von Elektronik- und Elektrogeräten beflügelt. So werden zum Beispiel auch die Einführung verlustleistungsärmerer Halbleitertechniken und Schaltungskonstruktionen in der Bauelementeindustrie sowie die Realisierung effizienterer Geräteschaltungen insgesamt immer wichtiger. Entwickler und Designer müssen diese komplexen Zusammenhänge bei der Planung zukünftiger Produkte zwingend im Auge haben. 

1. Teil: Teslas Traum näher kommen
2. Teil: Unterschiedliche Übertragungs-und Ladesysteme
3. Teil: Gründung des Wireless Power Consortium

Weiterführende Links:

• Kontaktlose Energieübertragung:: Stromversorgung aus dem HF-Feld
• Energie aus dem Feld: Kontaktlose Energieübertragung in Deutschland
• Intel Research Days 2010: Drahtlose Stromübertragung die Zweite
• Energieübertragung: Mobile Endgeräte kabelfrei aufladen