Drahtlose Energieübertragung

Bei der drahtlosen Energieübertragung wird Energie von einem Objekt auf ein anderes übertragen. Hierbei kann es sich um verschiedenste Energieformen handeln, z.B. um kinetische-, oder elektrische Energie. Im allgemeinen versteht man heutzutage darunter einem elektrischen Gerät die zum Betrieb notwendige elektrische Energie ohne elektrischen Kontakt oder Kabel zu zuführen. Vorteile sind unter anderem eine höhere Mobilität, keine elektrischen Kontaktprobleme und ein wasserdichter Aufbau der Komponenten wird dadurch ermöglicht.

Andere Bezeichnungen sind kontaktlose Energieübertragung, kabellose Leistungsübertragung oder kontaktlose Leistungsübertragung. Die gebräuchlichsten englischen Begriffe sind wireless power (power transmission, power transfer), contactless power (power transmission, power transfer), wireless energy (energy transmission, energy transfer) oder contactless energy (energy transmission, energy transfer). Am weitesten verbreitet ist die Methode der induktiven Energieübertragung. Häufig wird drahtlose Energieübertragung synonym für induktive Energieübertragung verwendet.

Anwendung

Für viele Anwendungen ist eine drahtlose Energieübertragung technisch noch nicht realisierbar. Vor allem folgende Anwendungen mit den folgenden Randbedingungen sind geeignet:

• geringer Abstand zwischen Energiesender und Empfänger
• niedriger Energieverbrauch
• lange Ladezeit mit kurzer Betriebszeit

Dazu zählen beispielsweise:

• RFID: geringe Energie
• elektrische Zahnbürste: geringer Abstand und kurze Betriebsdauer
• Stromversorgungen für elektrische Flurfördergeräte: geringer Abstand

Prinzipien

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Elektromagnetische Welle

Theoretisch könnte man elektromagnetische Wellen (z. B. mit Parabolspiegeln) bündeln und so kabellos Energie zielgerichtet senden, ähnlich einer Richtfunkstrecke. Unglücklicherweise wird die Energie auch dann gesendet, wenn gar kein Verbraucher (Verbrauchsmittel) sie empfängt. Bei normalem elektrischen Kabel bestimmt das Verbrauchsmittel selbst über die Stromstärke, wie viel Energie er bezieht. Beispielsweise könnte ein solcher Energiestrahl durch die Luft von einem vorbei fliegenden Vogel unterbrochen werden. Der Vogel würde sich wahrscheinlich durch die Absorption der Energie so stark erwärmen, dass ein solches Ereignis mit dem Tierschutz unvereinbar wäre. Je nach Wellenlänge würde es wahrscheinlich auch Beschwerden wegen Elektrosmog geben. Derlei ungelöste Probleme verhindern einen breiteren Einsatz drahtloser Energieübertragung.

Hier offenbaren sich die prinzipiellen Unterschiede zwischen einer Stromversorgung und einer Datenübertragung: Für eine Datenübertragung ist Radio mit wenigen Milliwatt Sendeleistung notwendig, für eine effiziente Stromversorgung muss die Sendeleistung schon im Kilowatt-Bereich liegen können. Oder als etwas plastischer Vergleich: Die Rückleuchte eines Fahrrads ist sehr viel dunkler als die tageserhellende Sonne; das Rücklicht ist zur Informationsübertragung geeignet, zur Stromversorgung anderer Verkehrsteilnehmer indes nicht. Es ist derzeit zu prüfen, inwiefern sich die drahtlose Energieübertragung im Feld der Lichttechnik anwenden lässt. Es eignet sich derzeit vor allem im Feld der Lichtsteuerung in Verbindung mit gewissen DALI-Systemen zur Ansteuerung.

Magnetisches Wechselfeld

Ein weiteres Prinzip ist die Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, welches am Empfängerort immer noch als oszillierend wahrnehmbar ist. Über eine benachbarte Spule kann nach dem Prinzip eines Transformators dann elektrischer Wechselstrom entnommen werden. Da hierbei die Energie mit Hilfe der elektromagnetischen Induktion übertragen wird, wird diese Methode im Englischen auch als inductive power transfer (kurz: IPT) bezeichnet.

Dieses Verfahren hat gegenüber dem obigen den Vorteil, dass der Empfänger teilweise die Menge der verbrauchten Energie selbst bestimmen kann und die ungenutzte Energie teilweise erhalten bleibt (also nicht in Wärme umgewandelt wird). Nach diesem Prinzip wird z. B. der Akku einer schnurlosen elektrischen Zahnbürste aufgeladen. Die Reichweite der drahtlosen Energieübertragung mittels eines magnetischen Wechselfeldes ist entsprechend der Reichweite magnetischer Felder im Allgemeinen sehr begrenzt (auf Millimeter bis wenige Zentimeter).

Entwicklungen

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Drahtlose Energieübertragung ist nicht neu. Schon vor hundert Jahren gelang es Nikola Tesla elektrische Energie per Luft zu übertragen. In den 1920er und 1930er Jahren beleuchteten manche Kleingärtner in Hamburg und Berlin, die ihre Gartenlaube in der Nähe eines Senders hatten, mit Hilfe von Glühbirnen, die zwischen Erde und einen Antennendraht geschaltet waren, nach diesen Verfahren ihre Gartenlaube. Da hierdurch aber Sendeenergie entzogen wird, was die Reichweite des Senders verkleinert, wurde dies untersagt.

Seit 2004 arbeitet das deutsche Projekt KONTENDA an der Entwicklung einer Technik zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie für industrielle Anwendungen.

Im August 2008 wurde von der Intel Corporation ein Wireless Resonant Energy Link (WREL) vorgestellt.

Elektrische Zahnbürsten mit eingebautem Akku verwenden über wenige Millimeter eine Energieübertragung durch das Gehäuse mittels eines Resonanztransformators. Der Resonanztransformator, typisch sind Resonanzfrequenzen im Bereich von 100 kHz, ist dabei durch einen mehrere Millimeter breiten „Luftspalt“, welcher das Gehäuse bildet, und entsprechend großen Streuflüssen gekennzeichnet, womit der Wirkungsgrad bei der Energieübertragung zwischen Ladestation und Zahnbüste reduziert ist.

Eine Arbeitsgruppe am Massachusetts Institute of Technology (MIT) bezeichnet ihr kabelloses Energieübertragungssystem auch als „WiTricity“, diese Marke wird auch durch ein gleichnamiges Unternehmen kommerziell vermarktet.