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Induktion: Kabelloses Laden für Elektroautos

Die geringe Reichweite und die oft umständliche Ladeprozedur schreckt noch immer viele vom Kauf eines Elektroautos ab. Doch es gibt eine technische Lösung, die das Laden deutlich vereinfachen könnte: Das kabellose Laden per Induktion. Was beim Handy oder der elektrischen Zahnbürste schon Alltag ist, könnte künftig auch die Akkus von Elektroautos mit Strom versorgen – sogar während der Fahrt. Wie aber funktioniert das ? Und wie weit ist die Entwicklung?

Spulensystem eines kabellosen Ladegerätes mit Feldlinien
Spulensystem mit Feldlinien. Die obere Platte ist ins Fahrzeug integriert, die untere Platte ist eine Bodenplatte.

Die Zahl der Elektroautos steigt immer weiter an: Waren es beispielsweise 2018 weltweit rund 5,6 Millionen Fahrzeuge, wuchs die Zahl laut ADAC nur ein Jahr später auf nahezu acht Millionen E-Autos. Die Anzahl wird vermutlich auch in Zukunft weiter steigen – unter anderem auch durch die neuen Vorgaben zur Verringerung des Klimagasausstoßes.

Adieu Ladekabel

Bisher müssen Fahrer von Elektroautos diese an einer öffentlichen oder privaten Stromtankstelle aufladen – mit Kabel und Stecker. Doch das könnte sich bald ändern. Denn es gibt schon länger die Möglichkeit, elektrische Geräte auch kabellos aufzuladen. So zum Beispiel elektrische Zahnbürsten, die man nach dem Putzen auf die Basisstation stellt oder auch Smartphones. Dahinter steckt das sogenannte induktive Laden.

Dieses wird mithilfe von elektromagnetischen Feldern möglich, die die Energie drahtlos übertragen. Dazu gibt es in der Ladestation eine Senderspule aus Kupferdraht, durch die Wechselstrom fließt. Dieser Strom wechselt alle rund 20 Millisekunden seine Richtung und damit auch die Richtung des von ihm erzeugten elektromagnetischen Felds.

Das zu ladende Gerät enthält ebenfalls eine Spule aus elektrisch leitendem Metall. Kommt  diese in den Einflussbereich des elektromagnetischen Wechselfelds, induziert dieses in der zweiten Spule einen Wechselstrom gleicher Frequenz. Dieser wird dann meist in Gleichstrom umgewandelt, der dann den Akku des Geräts auflädt.

Kabelloses Aufladen eines Smartphones
Die Möglichkeit, mobile elektrische Geräte wie Smartphones auch kabellos aufzuladen, besteht schon länger.

Vor- und Nachteile des Induktionsladens

Diese Technik des Ladens mittels Induktion lässt sich auch für Elektro-Autos nutzen: Die Senderspule müsste dafür im Boden angebracht und an das Stromnetz angeschlossen, die zweite Spule direkt unten am Fahrzeug installiert werden. Sobald der Fahrer sein E-Auto auf diesem Abschnitt parkt, könnte dann der Ladevorgang automatisch beginnen. Während die Spulen bei elektrischen Zahnbürsten ziemlich klein sind, benötigt man für induktives Laden von E-Autos allerdings tausendfach größere.

Das induktive Laden des Autos erfordert nicht nur weniger Aufwand für den Fahrer: Da die Spulen im Boden und an der Auto-Unterseite installiert sind, fallen sie kaum auf und sind vor Zerstörungen sicher. Zudem verschleißen sie auch nicht so schnell wie die bisher üblichen Ladesäulen und funktionieren auch bei etwas Schnee und Eis.

Das Problem jedoch: Auch wenn die Technologie hinter dem kabellosen Laden nicht neu ist und die induktiven Ladestationen auch bei E-Autos Vorteile haben, ist die Umsetzung für die Stromer noch nicht weit entwickelt und teuer. Für den großflächigen Einsatz etwa in Parkhäusern oder auf Supermarktparkplätzen ist die Technik daher meist zu kostspielig. Hinzu kommt, dass die Elektrowagen-Hersteller ihre Stromer für solche öffentlichen, induktiven Ladestationen alle auf den gleichen Standard bringen müssten: Die Spule im Boden muss einen exakten Abstand zu der am Fahrzeug und zum Akku haben. Ist ein Auto zum Beispiel höher gebaut als für das induktive Laden nötig, funktioniert das System nicht oder nur ungenügend. Zudem muss das Auto auch in der richtigen Position zur Spule im Boden stehen. Dafür müssen Navigationshilfen installiert sein, damit der Fahrer den Wagen genau justieren kann.

200kW-Ladepad für Busse, Mannheim
Unspektakulär: 200kW-Ladepad für Busse in Mannheim

Wie effektiv ist das Induktionsladen beim E-Auto?

Gängiger Annahme nach ist das kabellose Laden für E-Autos bislang wenig effektiv - bei manchen Herstellern sollen bei der Stromübertragung aufs Auto rund ein Fünftel der eingesetzten Energie verloren gehen. Ob das der Fall ist und wie effektiv bisher erhältliche Systeme sind, haben Forscher um Axel Hoppe vom Institut für Automation und Kommunikation (ifak, Mitglied der Zuse-Gemeinschaft) in Magdeburg untersucht. Das Team testete dabei die vollautomatische Aufladung des Akkus von Elektroautos und die Rückspeisung von Ladestrom ins Stromnetz.

Dafür statteten die Experten zunächst das Probe-Elektrofahrzeug mit einer induktiven Ladefunktion bis elf Kilowatt aus und verwendeten für die Ladestation im Boden gängige Systeme mit verschiedenen Spulentypen und -anordnungen. Für jedes Modell prüften sie die Ladeleistung und beurteilten beispielsweise, wie groß der Platzbedarf der Systeme und das elektrische Verhalten war.

Das Ergebnis: Das kabellose Laden funktionierte in den Tests effektiver als gemeinhin erwartet. „Anders als häufig angenommen ist das kabellose Laden annähernd ebenso effektiv wie ein herkömmliches Aufladen mit Ladekabel, denn es werden Systemwirkungsgrade, das heißt vom Netzanschluss bis zur Batterie, von mehr als 90 Prozent erreicht“, berichtet Hoppe. Damit entstehen nur geringe Energieverluste und das E-Auto kann schnell aufgeladen werden. Zudem arbeiteten laut Hoppe die Ladestation und die Batterie dabei gut zusammen. Wie wirksam das Laden ist, hängt dabei aber auch vom Fahrzeugtyp ab. Deshalb müssen je nach Wagen unterschiedliche Ladesysteme verwendet werden.

Rückspeisung macht E-Autos zu Stromspeichern

Hinzu kommt, dass das Ganze auch „andersherum“ funktioniert. „Wir konnten zeigen, dass nicht nur das kabellose automatische Laden von E-Pkw, sondern auch das Zurückspeisen von Batteriestrom aus solchen Fahrzeugen ins Stromnetz technisch problemlos möglich sind“, berichtet Hoppe. „Mit der Unterstützung durch Funklösungen wie WLAN oder zukünftig auch 5G konnten wir dies optimal lösen.“

Die Rückspeisung dann dazu beitragen, Schwankungen im Stromnetz auszugleichen, weil die Elektroautos als externer Stromspeicher fungieren: Bei erhöhtem Strombedarf kann sich das Netz zusätzlichen Strom aus dem Akku des E-Autos ziehen. Ist das Stromangebot größer als der Bedarf, wie beispielsweise in der Nacht, lädt sich das Elektrofahrzeug auf. Gerade E-Auto, die nur ab und zu benötigt werden, können so das Stromnetz stabilisieren helfen.

Für Elektroauto-Besitzer, die über eigene  Photovoltaikanlage auf dem Hausdach verfügen, kann diese dezentrale Stromspeicherung im Elektroauto weitere Vorteile haben. Statt den nicht benötigten Solarstrom ins Netz einzuspeisen und dann bei erhöhtem Bedarf teureren Strom aus dem Netz beziehen zu müssen, können sie das E-Autor als eigenen Stromspeicher nutzen. In den Tests der Forscher erhöhte dies den Anteil des selbst verbrauchten Solarstroms von 34 auf 72 Prozent.

Symbolbild Straße mit Ladespur für Elektroautos
Straße mit Ladespur für Elektroautos: Vor allem Busse und Lkws sollen davon profitieren, weil diese dann mit deutlich kleineren Akkus ausgestattet werden können.

Erste Tests fürs mobile Laden

Das induktive Laden könnte zukünftig aber nicht nur im Stand möglich sein, sondern sogar während der Fahrt. Forscher arbeiten bereits an Techniken, die ein solches mobiles Induktionsladen ermöglichen. Statt das Elektroauto für die Ladezeit in der Ladestation stehen lassen zu müssen, könnte man so über hunderte Kilometer mit dem Stromer fahren - ganz ohne Ladestopp.

Erste Fortschritte bei dieser Technologie haben Forscher der Technischen Universität Braunschweig und der Universität Duisburg-Essen gemacht: In ihren Projekten testen sie Induktionsmodule, die in rund  zehn Zentimeter Tiefe in den Asphalt von Straßen eingebaut und mit Steuereinheiten am Straßenrand verkabelt werden. Diese Steuereinheiten registrieren, wenn ein E-Auto übbr die Ladestrecke fährt und aktivieren dann die Induktionsspulen im Asphalt.

In Frankreich, Großbritannien, Norwegen und Schweden, aber auch  in Karlsruhe existieren solche induktiven Ladestationen für Elektrofahrzeuge schon als Teststrecken: Dort sind über mehrere Meter bis zu zwei Kilometer Ladesysteme in die Bodenplatten installiert. Fährt ein Elektroauto mit maximal 100 Kilometer pro Stunde darüber, wird es mit bis zu 20 Kilowatt „betankt“ – das entspricht etwa der Leistung vieler öffentlicher Ladesäulen in Deutschland.

Der positive Nebeneffekt des mobilen Induktionsladens ist, dass so auf lange Sicht auch kleinere Batterien in Elektroautos ausreichen würden. Denn wenn vielerorts Ladestationen im Boden eingebaut sind, muss ihre Reichweite nicht hoch sein,. Damit könnte man Kosten und Ressourcen für die Batterien der E-Autos sparen. Zudem erhöht sich die Lebensdauer der Batterien, wenn das E-Auto nicht immer wieder ganz vollgeladen und vollständig geleert, sondern in kleinen Schüben zu etwa 70 Prozent geladen wird.

ABO, 02.06.2021
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