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Wie sich E-Autos während der Fahrt drahtlos laden lassen

| Autor: Thomas Kuther

Forscher an der University of Colorado haben ein System entwickelt, mit dem sich Elektroautos während der Fahrt mit Strom versorgen lassen.

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Forscher an der University of Colorado haben ein System entwickelt, mit dem sich Elektroautos während der Fahrt mit Strom versorgen lassen.
Forscher an der University of Colorado haben ein System entwickelt, mit dem sich Elektroautos während der Fahrt mit Strom versorgen lassen.
( Bild: University of Colorado )

Elektrofahrzeuge sollen in Zukunft während der Fahrt auf der Autobahn aufgeladen werden. Möglich wird das mithilfe von in der in der Straße verlegte Platten, die drahtlos Energie abgeben und so den Akku im Auto laden. Auf diese Weise können Hunderte, wenn nicht sogar Tausende von Kilometern gefahren werden, ohne dass das Auto an eine Ladestation angeschlossen werden muss. Auch wenn diese Idee utopisch klingt, so arbeiten doch Ingenieure an der University of Colorado in Boulder daran, sie real werden zu lassen. „Wir möchten, dass Elektrofahrzeuge auch unterwegs aufgeladen werden können“, erklärt Khurram Afridi, Assistenzprofessor am Department of Electrical, Computer and Energy Engineering der University of Colorado.

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In den letzten zwei Jahren haben Afridi und seine Kollegen ein Konzept zur drahtlosen Energieübertragung entwickelt, das elektrische Energie mittels elektrischer Felder bei sehr hohen Frequenzen überträgt. Die Möglichkeit, große Mengen an Energie über größere Entfernungen zu In-Motion-Plattformen von kostengünstigen Ladeplatten zu senden, könnte es eines Tages ermöglichen, die Technologie über kleine Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefone hinaus zu erweitern und sogar Autos anzutreiben.

Derzeit können die meisten Elektrofahrzeuge je nach Marke und Modell zwischen 100 und 250 Meilen mit einer einzigen Ladung fahren. Aber die Ladeinfrastruktur ist noch unzureichend, so dass Fahrer von Elektroautos ihre Fahrt genau planen müssen. Dieses Problem könnte laut Afridi mit dieser Technologie verschwinden.

„Auf einer Autobahn könnte man eine Fahrspur zum Aufladen vorsehen“, so Afridi. „Dann könnte ein E-Fahrzeug einfach diese Fahrspur benutzen, wenn es einen Energieschub benötigt. Damit würde ein kleiner Akku reichen, was wiederum die Gesamtkosten des Fahrzeugs reduziert.“

Die möglichen Anwendungen der drahtlosen Energieübertragung sind ebenso spannend wie futuristisch. Aber die Fragen, die Afridi zu beantworten versucht, reichen weit über das heutige technologische Zeitalter hinaus.

Drahtlose Energieübertragung ist eine uralte Idee

Die Idee der drahtlosen Energieübertragung fasziniert die Wissenschaftler schon seit mehr als hundert Jahren. In den 1890er Jahren verbreitete Nikola Tesla die Idee, Energie drahtlos über größere Entfernungen zu übertragen. Er demonstrierte seine Technologie, indem er eine Glühbirne von der anderen Seite der Bühne mit drahtloser Energieübertragung zum Leuchten zu bringen. Tesla begann mit der Arbeit an einer drahtlosen Stromübertragungsstation in Shoreham, New York, die Strom durch die Luft schicken könnte. Aber das Projekt wurde wegen finanzieller Schwierigkeiten nie abgeschlossen.

Das Aufkommen des Radios revolutionierte kurz darauf die drahtlose Fernkommunikation. Aber die Technologie zur drahtlosen Übertragung großer Mengen elektrischer Energie war noch nicht entwickelt worden. Die kabellose Energieübertragung wurde lange nicht weiter beachtet. Erst der Boom der Unterhaltungselektronik Ende der 1990er und Anfang der 2000er Jahre weckte erneut das Interesse an diesem Thema. Kleine Geräte wie Zahnbürsten oder Smartphones lassen sich heute drahtlose laden. Bei einem fahrenden Fahrzeug ist dies weitaus schwieriger, da deutlich mehr Energie nötig ist, die über eine größere Distanz von der Fahrbahn zum Fahrzeug gesendet werden muss. Ein Auto, das mit Autobahngeschwindigkeit fährt, würde nicht länger als den Bruchteil einer Sekunde auf einem Ladepad verweilen, so dass die Pads alle paar Meter platziert werden müssten, um eine kontinuierliche Ladung zu gewährleisten.

Drahtlose Laden als Herausforderung

Um das Größen- und Bewegungsproblem zu lösen, musste Afridi sich etwas einfallenm lassen. Denn zum Laden eines Smartphones ist nur eine Leistung von fünf 5 W nötig, bei einem Laptop sind es rund 100 W, aber ein fahrendes Elektrofahrzeug benötigt 10 kW – also zwei Größenordnungen mehr. Die meisten Forschungen in Sachen drahtlose Energieübertragung konzentrierten sich bisher auf die Übertragung von Energie durch Magnetfelder – also induktiv. Der Grund: Magnetische Felder zur Energieübertragung lassen sich einfacher erzeugen als äquivalente elektrische Felder. Zum Übertragen der Magnetfelder sind jedoch zerbrechliche und verlustbehaftete Ferrite erforderlich, was das System verteuert.

Da elektrische Felder relativ geradlinig verlaufen, wollte Afridi diese für seine Innovation nutzen und so die Kosten des Systems deutlich senken.

Die Herausforderung bei der Nutzung elektrischer Felder für die drahtlose Energieübertragung – der kapazitive Ansatz – besteht darin, dass der große Luftspalt zwischen Fahrbahn und Elektrofahrzeug zu einer sehr kleinen Kapazität führt, durch welche die Energie übertragen werden muss. „Alle sagten, dass es nicht möglich ist, so viel Energie durch eine so kleine Kapazität zu übertragen“, erläutert Afridi. „Aber wir dachten: Was, wenn wir einfach die Frequenz der elektrischen Felder erhöhen?“

In seinem Labor stellen Afridi und seine Schüler Metallplatten parallel zueinander in einem Abstand von 12 cm auf. Die beiden Bodenplatten stellen die Sendeplatten innerhalb der Fahrbahn dar, während die beiden oberen Platten die Aufnahmeplatten innerhalb des Fahrzeugs darstellen. Legt Afridi nun einen Schalter um, so wird Energie von den Bodenplatten übertragen und die Glühbirne über den Deckplatten leuchtet sofort auf – ohne Kabelverbindung. Das Gerät wurde inzwischen so weit verbessert, dass es Leistung in einer Größenordnung von Kilowatt im Megahertzbereich übertragen kann. „Als wir mit unserem Testaufbau die Tausend-Watt-Grenze durchbrochen haben, waren wir einfach begeistert“, strahlt Afridi. „Es gab viele High Five an diesem Tag.“

So pendeln wir in Zukunft

Afridi möchte den Prototypen weiterentwickeln und für mögliche Anwendungen in der Praxis zu skalieren. Er erhielt Mittel von der Abteilung ARPA-E des Energieministeriums sowie Unterstützung durch einen CAREER-Preis der National Science Foundation. Ein kürzlich vom Colorado Energy Research Collaboratory an Afridi in Zusammenarbeit mit der Colorado State University und NREL gewährtes Seed Grant wird es ihm ermöglichen, die Machbarkeit und Optimierung des In-Motion-Systems zu untersuchen.

In naher Zukunft plant Afridi, die Technologie für den Einsatz im Lager anzupassen: Automatisierte Lagerroboter und Gabelstapler können sich dann beispielsweise in Bereichen bewegen, die für die drahtlose Energieübertragung geeignet sind und müssen nicht angeschlossen werden, was Ausfallzeiten vermeidet und die Produktivität erhöht. Die Technologie könnte auch für den Einsatz in Verkehrsprojekten der nächsten Generation wie dem Hyperloop angepasst werden, einem System, das Passagiere in 30 Minuten von Los Angeles nach San Francisco bringen könnte.

Das Aufkommen einer Elektroautobahn ist jedoch noch in weiter Ferne und wird unweigerlich mit vielen technologischen und gesellschaftlichen Hürden konfrontiert sein. Aber Afridi ist optimistisch und motiviert, sie zu überwinden: „Als Wissenschaftler fühlt man sich durch Dinge herausgefordert, von denen man sagt, dass sie unmöglich sind“, sagte Afridi.

Mehr über das System der University of Colorado zeigt das Video:

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