Elektrische Fähren und Fahrzeuge könnten nach einem aufregenden technologischen Durchbruch bald drahtlos aufgeladen werden.
Bisher konnte das induktive Laden – bei dem kein Kontakt zwischen Gerät und Leiter besteht – diese hohe Leistung nicht liefern elektrisches Fahrzeug Batterien brauchen. Die Methode hat nur bei kleinen Geräten wie elektrischen Zahnbürsten und einigen funktioniert Mobiltelefone.
Doch mit neuen Komponenten konnten Wissenschaftler einer schwedischen Universität zeigen, dass das Aufladen von Stadtfähren und Stadtbussen ohne Menschen- oder Roboterhände möglich ist.
Es ist ein wichtiger Schritt für die Elektrifizierung unserer Verkehrssystemesagt der Mann, der die Teile zusammengefügt hat.
„Sie können ein System in den Kai einbauen lassen, das die Fähre an einigen Haltestellen auflädt, während die Passagiere ein- und aussteigen“, erklärt Professor Liu, Professor für elektrische Energietechnik an Technische Universität Chalmers in Göteborg.
„Automatisch und völlig unabhängig von Wetter und Wind kann 30-40 mal am Tag geladen werden.“
Dies ist die offensichtlichste Anwendung, die Liu für die induktive Energieübertragungstechnologie sieht, die dazu beitragen würde, die schrittweise Abschaffung der Umweltverschmutzung zu beschleunigen Dieselboote.
Welche neuen Komponenten stecken hinter dem Durchbruch?
Ein Kupferdraht, so dünn wie ein menschliches Haar, ist eines der neuen Materialien, das die Übertragung hoher Leistung durch Luft realistisch macht.
Der andere ist ein neuartiger Siliziumkarbid-Halbleiter. Silizium wird seit langem in elektrischen Geräten (z Computer-Chips) aufgrund seiner natürlich halbleitenden Eigenschaften; Mit einem höheren elektrischen Widerstand als ein Isolator, aber weniger als ein Leiter, steuert das nichtmetallische Element den Strom, indem es Elektronen fließen lässt, wenn eine bestimmte Spannung angelegt wird.
Siliziumkarbid ist eine Verbindung, bei der Kohlenstoff an das Silizium gebunden ist. Als Stromquelle für elektrische Produkte sei es erst seit wenigen Jahren auf dem Markt, erklärt Liu.
„Ein entscheidender Faktor ist, dass wir jetzt Zugang zu Hochleistungshalbleitern auf Basis von Siliziumkarbid haben, den sogenannten ‚SiC-Komponenten’“, sagt er. „Sie ermöglichen uns, im Vergleich zu herkömmlichen Komponenten auf Siliziumbasis, höhere Spannungen, höhere Temperaturen und viel höhere Schaltfrequenzen zu verwenden.“
Wie funktioniert Induktionsladen?
Um zu verstehen, was dies mit dem Aufladen eines Elektrobusses oder einer Fähre zu tun hat, müssen wir die Grundlagen des Induktionsladens verstehen.
Aufladen durch Induktion bedeutet, dass der Strom über eine kurze Distanz springen kann; durch Luft, Wasser und andere nichtmetallische Materialien – ohne jeglichen Kontakt oder Leiter.
Unsere Häuser sind voller Beispiele. Bei Induktion Herdewird ein hochfrequenter Wechselstrom durch eine Metallspule geleitet, um ein oszillierendes Magnetfeld zu erzeugen. Dieser durchdringt das Metall einer Kochpfanne und induziert darin einen Strom, der Ihre Speisen erhitzt.
Oder gehen Sie ins Badezimmer; Elektrische Zahnbürsten haben eine Spule in der Unterseite und eine zweite in der Ladestation. Beim Anschließen an das Stromnetz erzeugt der Strom in der Ladespule ein sich änderndes Magnetfeld, das einen Stromfluss in der Zahnbürstenspule bewirkt, ohne dass sich die beiden berühren.
Zum Aufladen elektrische Fahrzeuge, das Ziel ist nicht die Hitzeentwicklung (oder das Strahlen der Zähne). Induktives Laden sendet über das Magnetfeld Energie an die Spule an Bord des Fahrzeugs. Die Spule wandelt ihn in Wechselstrom und dann wieder in Gleichstrom um, um die Batterien aufzuladen.
Warum ist das kabellose Laden großer Elektrofahrzeuge jetzt möglich?
Die Tatsache, dass SiC-Komponenten bei höheren Frequenzen arbeiten können, ist von entscheidender Bedeutung, da die Frequenz des Magnetfelds begrenzt, wie viel Leistung zwischen zwei Spulen einer bestimmten Größe übertragen werden kann.
„Frühere Systeme zum drahtlosen Laden von Fahrzeugen haben Frequenzen von etwa 20 kHz verwendet, ähnlich wie bei einem normalen Kochfeld. Sie wurden sperrig und die Energieübertragung war nicht sehr effizient. Jetzt arbeiten wir mit viermal höheren Frequenzen. Plötzlich wird Induktion attraktiv“, erklärt Liu.
Aber die Kupfer Drähte in den Spulen müssen das Magnetfeld auch mit höherer Frequenz senden und empfangen können.
„Das funktioniert nicht mit gewöhnlichen geschleiften Kupferspulen. Das würde bei hoher Frequenz zu sehr großen Verlusten führen“, sagt Liu.
Die neuen Spulen bestehen aus geflochtenen „Kupferseilen“. Diese bestehen aus bis zu 10.000 Kupferfasern, die jeweils zwischen 70 und 100 Mikrometer dick sind, ähnlich wie eine Haarsträhne. Diese als „Litzen“ bezeichneten Geflechte – optimiert für höhere Ströme und Frequenzen – sind seit einigen Jahren auch im Handel erhältlich.
Unabhängig davon, ob Elektrofahrzeuge mit induktivem Laden oder herkömmlichem kabelgebundenem konduktivem Laden geladen werden, sind Energieverluste vorprogrammiert.
Aber der Durchbruch mit diesen neuen Materialien bedeutet, dass die induktive Methode jetzt fast so effizient ist wie das normale Laden. „Der Unterschied ist so gering, dass er praktisch vernachlässigbar ist“, sagt Liu, „es sind etwa ein bis zwei Prozent“.
Werden Elektroautos auch kabellos geladen?
Neben elektrischen Fähren und Bussen könnten künftig auch fahrerlose Elektrofahrzeuge in Industrie, Bergbau und Landwirtschaft vom kabellosen Laden profitieren.
Liu glaubt jedoch nicht, dass das Induktionsladen das Laden mit Kabel irgendwann ersetzen wird.
„Ich fahre ein Elektroauto Ich selbst und kann nicht erkennen, dass ich in Zukunft eine Verwendung für das Induktionsladen haben würde. Ich fahre nach Hause, stecke ein … kein Problem“.
„Man sollte wahrscheinlich nicht behaupten, dass die Technologie selbst nachhaltiger ist“, sagt er. Aber es kann die Elektrifizierung großer Fahrzeuge erleichtern und so den Ausstieg etwa von Dieselfähren beschleunigen.
Die Ergebnisse seiner Forschungsgruppe hätten viel Aufsehen erregt, fügt er hinzu, da sie in dieser Leistungsklasse zu „den Besten der Welt“ gehöre.