Induktives Laden – befreit vom Ladekabel
Die Aargauer Energiedienstleisterin Eniwa AG hat in einem Pilot- und Demonstrationsprojekt gemeinsam mit der Empa und weiteren Partnern den Nutzen der kontaktlosen Ladetechnik bestätigt. Autofahrer profitieren unmittelbar von einem einfacheren Handling. Mittelfristig könnte die Technik einen Beitrag zur Stabilisierung des Stromnetzes leisten.
Der Ausbau der öffentlich zugänglichen Ladestationen für Elektrofahrzeuge schreitet voran. Aktuell sind in der Schweiz über 17000 öffentliche Ladepunkte verfügbar, doppelt so viele wie Ende 2020. Die Ladestationen unterscheiden sich bei Anschlüssen und Leistung; gemeinsam ist ihnen, dass der Strom über ein Ladekabel vom Netz in den Akku des Fahrzeugs geleitet wird.
Induktives Laden – also die kabellose Übertragung von elektrischem Strom – kennt man von elektrischen Zahnbürsten oder Mobiltelefon-Ladestationen. Bei Fahrzeugen ist das induktive Laden bislang nicht gebräuchlich, trotz verschiedener Anläufe in diese Richtung. Im Jahr 2018 hatte der deutsche Autokonzern BMW gemeinsam mit dem Schweizer Technologieunternehmen Brusa ein induktives Ladesystem entwickelt. Mit einer maximalen Ladeleistung von lediglich 3,2 kW und einem Wirkungsgrad von 85 Prozent (Herstellerangaben) setzte sich das Ladesystem damals allerdings nicht durch.
Speicher auf vier Rädern
Doch die Vorstellung, dass ein Fahrzeug ohne Einstecken eines Ladekabels wie von Zauberhand geladen wird, bleibt faszinierend. In einem Projekt mit dem Kürzel «INLADE» (Induktives Laden von Elektrofahrzeugen) nahm die Aargauer Stromversorgerin Eniwa Ende 2023 einen neuen Anlauf, gemeinsam mit Energie Thun und dem Stadtwerke-Verband Swisspower. Dass sich Stromversorger für das induktive Laden interessieren, hat gute Gründe, wie Claudio Richter, Projektleiter Unternehmensentwicklung bei Eniwa, ausführt: «Wird ein Fahrzeug an einer induktiven Ladestation parkiert, wird es automatisch mit dem Netz verbunden. Das eröffnet für uns als Energieversorgerin die Möglichkeit, die Akkus von Elektroautos zur Stabilisierung des Stromnetzes zu nutzen, sofern die Autobesitzer zustimmen.» Für Eniwa und andere Energieversorger ist das von grossem Nutzen. Da die Stromproduktion von Solar- und Windkraftwerken im Tagesverlauf schwankt, braucht es Speicher, die den Strom puffern, bis er gebraucht wird.
Das Auto als Speicher auf vier Rädern zu nutzen – mit diesem Fernziel hat das von Eniwa aufgegleiste Projekt das induktive Laden von Personenwagen in technischer und regulatorischer Hinsicht untersucht. Von akademischer Seite waren die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa und die Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) mit dabei, als Industriepartner die Brugg eConnect AG. Die Untersuchung wurde aus dem Pilot- und Demonstrationsprogramm des Bundesamts für Energie unterstützt.
Fahrzeuge nachgerüstet
Ausgangspunkt des Projekts war ein induktives Ladesystem der US-amerikanischen Firma WiTricity mit 11 kW Leistung. Die Firma hatte im Jahr 2023 beim Start von «INLADE» den Prototyp eines Ladesystems geliefert und begleitete anschliessend die Projektgruppe während der gesamten Laufzeit. Um das Ladesystem zu testen, mussten im P+D-Projekt verschiedene Vorkehrungen getroffen werden: Beim Eniwa-Hauptsitz in Buchs (AG) und an der Empa in Dübendorf wurde jeweils eine induktive Ladestation errichtet, bestehend aus einer Bodenplatte (Spule für das induktive Laden) und einer Wallbox (Leistungselektronik, Wechselrichter, Steuerungs- und Kommunikationstechnologie). Da noch keine Fahrzeuge mit serienmässig eingebautem induktiven Ladesystem verfügbar waren, wurden parallel dazu zwei Elektrofahrzeuge (VW ID.5) an der Unterseite mit je einer Empfangsspule nachgerüstet. Diese nimmt während des induktiven Ladens den Strom aus der Bodenplatte auf.
Die Umrüstung der beiden Fahrzeuge und der Aufbau der Ladestationen hielten für das Projektteam einige Hürden bereit. So hatten die Techniker keinen Zugriff auf die Fahrzeugsoftware, daher mussten sie in der Mittelkonsole der Testfahrzeuge ein eigenes Display einbauen. Dieses hilft der Fahrerin bzw. dem Fahrer, das Auto auf der Bodenplatte zu parkieren. Auch musste für die Strassenzulassung mit entsprechenden Messungen sichergestellt werden, dass im und um das Fahrzeug die Grenzwerte für elektromagnetische Felder eingehalten werden und die elektrische Sicherheit gewährleistet ist. Die beiden Fahrzeuge erhielten schliesslich eine reguläre Zulassung ohne Einschränkungen und waren damit bereit für den mehrmonatigen Testbetrieb. In der Zeit wurden sie ausschliesslich induktiv geladen.
Effiziente Energieübertragung
Im Rahmen des Projekts wurden rund 100 Messungen von induktiven Ladevorgängen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das induktive Ladesystem fast gleich effizient ist wie konduktives Laden mittels Ladekabel. Der Wirkungsgrad vom Netzanschlusspunkt bis zum Eingang der Autobatterie («Grid-to-Battery») betrug rund 90 Prozent (gegenüber 94 Prozent beim VW ID.5 mit konduktivem AC-Laden). «Gelegentlich hört man, induktives Laden sei ineffizient, doch mit der heute eingesetzten Leistungselektronik trifft das keineswegs zu», sagt Empa-Wissenschaftler Mathias Huber. Der Experte für Fahrzeugsysteme betont, die Effizienz von rund 90 Prozent werde bei so gut wie allen Betriebsbedingungen erreicht – also auch bei Regen, Schnee und Eis, bei Temperaturschwankungen von bis zu 40 Grad im Tagesverlauf, aber auch, wenn der Abstand der Empfängerspule im Fahrzeug gegenüber der Bodenplatte horizontal oder vertikal verschoben ist. «Das Ladesystem hat sehr zuverlässig gearbeitet, wenn man von einzelnen Software-Fehlern absieht, die für einen Prototypen üblich sind. Auch konnten wir keine problematischen Rückwirkungen auf das Stromnetz beobachten», so Huber.
Die beiden umgerüsteten Fahrzeuge wurden bei Eniwa und an der Empa eingesetzt. Eines der Fahrzeuge kam später zudem während acht Monaten bei einem E-Carsharing-Anbieter zum Einsatz. Dort wurde das Auto von zahlreichen Personen genutzt und von knapp 20 Fahrerinnen und Fahrern im Zuge der Fahrzeugnutzung induktiv geladen. Eine Umfrage der ZHAW hat ergeben, dass das induktive Ladesystem nach anfänglichen Bedenken schliesslich als sicher und gesundheitlich unbedenklich eingestuft wurde. Der Komfort des Ladevorgangs wurde geschätzt, das Handling als unkompliziert wahrgenommen; aber es bestand eine geringe Bereitschaft, für die Zusatzoption mehr zu bezahlen.
Markteinführung läuft
Induktives Laden – so das Fazit des Projekts – ist technisch weit fortgeschritten und praxistauglich. Da ein nachträgliches Umrüsten von Fahrzeugen unwirtschaftlich ist, müssen Fahrzeuge von Beginn weg mit der induktiven Ladetechnik ausgerüstet werden. Der Sportwagenhersteller Porsche hat angekündigt, im Jahr 2026 einen elektrischen Porsche Cayenne auf den Markt zu bringen, der serienmässig für induktives Laden ausgestattet ist. Das Fahrzeug kann weiterhin auch mit Kabel geladen werden.
Die Firma WiTricity hat unterdessen einen Strategiewechsel vollzogen, und das Geschäft mit induktiven Ladestationen für Personenwagen wird nicht mehr priorisiert. Weil andere Hersteller die induktive Ladetechnik unterdessen ebenfalls anbieten, stehen die Chancen gut, dass Autohersteller bald serienmässig Fahrzeuge für induktives Laden auf den Markt bringen werden.
Der Schlussbericht zum Projekt «Induktives Laden von Elektrofahrzeugen» ist verfügbar unter aramis.admin.ch.
Schon seit Längerem lassen elektrische Zahnbürsten oder Mobiltelefone sich induktiv laden. Die elektrische Energie wird dabei nicht durch ein Kabel übertragen, sondern durch magnetische Induktion: Ein elektrischer Strom erzeugt beim Durchströmen einer Spule (Drahtwicklung) ein magnetisches Feld, das in einer zweiten Spule einen Stromfluss hervorruft («induziert»). Damit die magnetische Induktion funktioniert, müssen beide Spulen nah beieinander sein und genau übereinander liegen.
Die sogenannte Resonanz-Kopplung dient dazu, die Stromübertragung mittels magnetischer Induktion zu verstärken. Resonanz-Kopplung bedeutet, dass die Senderspule bei der Energieübertragung mit einer Wechselstrom-Frequenz arbeitet, bei der die Dämpfung des Systems gegen Null tendiert. Die Verbindung von magnetischer Induktion und Resonanz-Kopplung wird als «resonante induktive Kopplung» bezeichnet. Die Stromübertragung erfolgt durch ein Magnetfeld, das mit der Frequenz des Wechselstroms oszilliert. Bei drahtlosen Ladestationen liegt die Frequenz gemäss internationalem Standard in einem schmalen Band in der Nähe von 85 kHz.
Der physikalische Mechanismus der resonanten induktiven Kopplung ist seit Langem bekannt. 2007 wurde er am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge (USA) wiederentdeckt und technisch neuartig und dabei besonders leistungsfähig umgesetzt. Damals gelang es, Strom über eine Distanz von mehreren Metern mit hoher Effizienz zu übertragen. Diese Innovation macht sich das Start-up WiTricity in seinem induktiven Ladesystem zunutze. Wenn im vorliegenden Artikel von «induktivem Laden» gesprochen wird, ist stets die «resonante induktive Kopplung» gemeint.