Induktives Laden für E-Autos: Vorteile, Herausforderungen & Zukunftsausblick

E-Autos ganz ohne Kabel und Steckdose aufladen? Induktives Laden macht genau das möglich, zumindest in der Theorie. Dabei findet der Ladevorgang durch elektromagnetische Felder statt, ohne dass ein physischer Kontakt erforderlich ist. Was auf den ersten Blick nach Science-Fiction klingt, ist teilweise schon in unserem Alltag zu finden. Smartphones nutzen bereits die Technologie des kabellosen Ladens, wie sieht es aber innerhalb der Elektromobilität aus?

Volle Ladung Wissen zu Induktives Laden auf einen Blick

• Induktives Laden ermöglicht das Aufladen von Elektrofahrzeugen ohne physischen Kontakt, indem magnetische Felder zur Energieübertragung genutzt werden.
• Es stellt eine bequeme Lösung dar, weil keine Kabel oder Stecker benötigt werden.
• Die Effizienz beim Laden hängt von der Ausrichtung und dem Abstand der Spulen im E-Auto und in der Ladestation ab, liegt aber im Allgemeinen zwischen 85 % und 95 %.
• Induktive Ladesysteme können sowohl für stationäres Laden (z. B. zu Hause oder an öffentlichen Ladestationen) als auch für dynamisches Laden (während der Fahrt) entwickelt werden.
• Die Technologie entwickelt sich stetig weiter, wobei aktuelle Forschungen und Pilotprojekte die Realisierbarkeit und Vorteile des dynamischen induktiven Ladens auf Straßen demonstrieren.

Was steckt hinter dem Konzept des induktiven Ladens?

Induktion ist die Erzeugung von elektrischer Spannung in einem Leiter, der sich in einem veränderlichen Magnetfeld befindet. Dieses Prinzip wurde erstmals im 19. Jahrhundert von Michael Faraday entdeckt. Wenn elektrischer Strom durch eine Spule fließt, erzeugt er ein Magnetfeld. Wenn ein zweiter Leiter in die Nähe dieses Magnetfeldes gebracht wird, wird in ihm eine Spannung induziert. Dies ermöglicht die drahtlose Übertragung von elektrischer Energie von einem Punkt zum anderen.

Ein einfaches Beispiel:
Stellen Sie sich vor, Sie werfen einen Stein in einen Teich. Die Wellen, die sich vom Stein ausbreiten, repräsentieren das Magnetfeld. Wenn Sie nun ein kleines Boot in die Nähe dieser Wellen bringen, wird es durch die Wellenbewegung beeinflusst und beginnt zu schaukeln. Das Schaukeln des Bootes entspricht der induzierten Spannung im zweiten Leiter. Das Boot benötigt keinen direkten Kontakt zum Stein, um beeinflusst zu werden, genauso wie beim induktiven Laden kein physischer Kontakt zwischen den Spulen erforderlich ist.

Hauptkomponenten des induktiven Ladens

• Sender-Spule: Befindet sich in der Ladestation und erzeugt das elektromagnetische Feld. Wenn elektrischer Strom durch diese Spule fließt, entsteht ein Magnetfeld um sie herum.
• Empfänger-Spule: Befindet sich im Fahrzeug und empfängt die induzierte Energie. Diese wird dann in elektrischen Strom umgewandelt, der den Akku des Fahrzeugs auflädt.
• Elektronik: Beide Spulen sind mit Elektronikkomponenten verbunden, die den Ladevorgang steuern und optimieren. Diese Komponenten sorgen für eine sichere Energieübertragung und vermeiden, dass der Akku überladen wird. 

Wie soll das für E-Autos funktionieren?

Nicht nur Smartphone-Nutzer können von der einfachen Handhabung der Akkuladung profitieren. Anstatt das Ladekabel immer parat haben zu müssen, legt man das Gerät einfach auf ein Ladepad und der Ladevorgang startet automatisch. Auch für E-Auto-Fahrer bietet das kontaktlose Laden der Elektro-Batterie eine nützliche Lösung.  

Das Elektroauto wird dabei über eine induktive Ladestation (Bodenplatte) geparkt. Diese wird unter der Oberfläche des Parkplatzes installiert und erzeugt das Magnetfeld. Das Fahrzeug ist mit einer entsprechenden Empfangsspule ausgestattet, die sich im Unterboden befindet. Wenn das Auto über dem Ladepad parkt, nimmt diese Spule die Energie aus dem elektromagnetischen Feld auf und wandelt sie in elektrischen Strom um, der den Akku des E-Autos auflädt.  

Auch während der Fahrt ist induktives Laden möglich. Dazu werden spezielle Straßenabschnitten entsprechend ausgestattet, wie erste Pilotprojekte bereits zeigen (dazu später mehr).

Welche Vorteile bietet induktives Laden?

Nach der kleinen physikalischen Einführung wollen wir nun die wichtige Frage klären: Was genau bringt induktives Laden der Elektromobilität

Sicherheit

Da kein physischer Kontakt stattfindet, kann es auch zu keinen elektrischen Schlägen kommen. Mögliche Stolperfallen sind ebenso kein Thema mehr, weil es keine Kabel gibt.

Komfort

Das E-Auto muss nur über die induktive Ladestation geparkt werden und der Ladevorgang startet von selbst.

Wetterresistenz

Das induktive Laden funktioniert unabhängig von Wetterbedingungen wie Regen, Schnee oder Hitze, da keine ungeschützten elektrischen Kontakte vorhanden sind.

Ästhetik

Induktive Ladestationen für E-Autos können unauffälliger und harmonischer in das Stadtbild integriert werden als herkömmliche Ladestationen, da keine Kabel oder sonstige technische Komponenten gebraucht werden.

Langlebigkeit

Aufgrund des minimalistischen Designs sind induktive Ladesysteme langlebiger und benötigen weniger Wartungsarbeiten.  

Wo gibt es noch Herausforderungen?

In der Theorie mag das alles schön und gut klingen, aber ganz so einfach gestaltet sich die Ladelösung nicht. Das induktive Laden bietet aktuell noch ein paar Herausforderungen für E-Autos:

Effizienzverluste

Die Energieübertragung beim induktiven Laden ist nicht immer so effizient wie beim kabelgebundenen Laden. Das liegt an den Verlusten, die während der Übertragung entstehen. In modernen Systemen liegen die Effizienzraten oft über 90 %, wodurch weniger als 10 % der Energie während der Übertragung verloren geht.

Wie diese Verluste zustande kommen? Einerseits durch die Widerstände in den Spulen, aber auch durch die Entfernung und Ausrichtung zwischen Sender- und Empfängerspule sowie die Qualität der verwendeten Materialien.

Hohe Kosten

Die Anschaffung für induktive Ladesysteme ist oft etwas preiswerter als für herkömmliche Ladestationen, da sowohl die Ausgaben für die Ladestation als auch für die Integration ins Fahrzeug berücksichtigt werden müssen.

Richtige Positionierung notwendig

Worauf besonders geachtet werden muss, ist die richtige Positionierung von E-Auto und Ladestation. Wenn das nämlich nicht gegeben ist, kann sich der Ladevorgang verlängern.

Induktives Laden in der Praxis

Induktives Laden bietet verschiedene Anwendungsmöglichkeiten. Dabei lassen sich vor allem zwei Hauptanwendungsgebiete unterscheiden: das stationäre und das dynamische Laden.

Stationäres Laden

Hierbei wird das Elektrofahrzeug über einer fest installierten Ladestation abgestellt. Solche befinden sich in privaten Garagen, auf Parkplätzen oder an speziellen öffentlichen Ladeorten. Während das Elektroauto stillsteht, erfolgt die Energieübertragung von der Station zum Fahrzeug. 

Dynamisches Laden

Beim dynamischen Laden sind Ladestationen direkt in die Fahrbahn integriert. Dadurch wird der Akku des Elektrofahrzeugs während der Fahrt geladen. Das Pilotprojekt von Arena del Futuro setzt sich genau mit dieser Thematik auseinander.

Das Projekt von A35 Brebemi in Zusammenarbeit mit Stellantis und weiteren Partnern hat die Effizienz der dynamischen induktiven Ladetechnologie für E-Autos getestet. Dabei wurden Leiterschleifen unter dem Asphalt verlegt, welche die Energie direkt an Fahrzeuge übertragen. Die E-Autos müssen dafür mit einem speziellen Empfänger ausgestattet sein.  

Erste Tests mit dem FIAT 500 Elektro zeigten, dass das Auto mit Autobahngeschwindigkeiten fahren kann, ohne Energie zu verbrauchen. Die Effizienz der Energieübertragung vom Asphalt zum E-Auto ist vergleichbar mit der von Schnellladestationen. Zudem gibt es keine negativen Auswirkungen durch Magnetfelder auf Fahrer, Insassen oder Fußgänger.  

Bereits 2021 wurde untersucht, inwiefern bidirektionales und induktives Laden zusammenspielen könnten. Wissenschaftler des Instituts für Automation und Kommunikation (ifak) haben sich im Rahmen des Verbundprojekts FEEDBACCAR dieser Fragestellung gewidmet und kamen zur Erkenntnis, dass diese Art des Ladens problemlos möglich sei.

Kosten und Installation

Je nach System und Leistung muss man mit unterschiedlichen Ausgaben für induktive Ladesysteme rechnen. Generell gestaltet sich die Anschaffung etwas teurer als für kabelgebundene Systeme. Die Installationskosten differenzieren je nach Gegebenheiten vor Ort und Komplexität des Systems. Außerdem müssen Sie möglicherweise nochmal für die Integration des Systems ins Fahrzeug in die Tasche greifen.

Das richtige System auswählen

Bei der Auswahl des richtigen induktiven Ladesystems sollten mehrere Faktoren berücksichtigt werden:

• Leistung: Je nachdem, wie schnell das Fahrzeug geladen werden soll, können Sie sich für ein System mit höherer oder niedrigerer Leistung entscheiden.
• Kompatibilität: Nicht alle induktiven Ladesysteme sind mit allen Elektrofahrzeugen kompatibel.
• Herstellerbewertungen: Bewertungen und Erfahrungsberichte anderer Nutzer sind immer hilfreich, um einen Eindruck von der Zuverlässigkeit und Qualität des Systems zu bekommen. 

Wie sehen die nächsten Jahre aus? 

Die Technologie des induktiven Ladens bietet noch sehr viel Luft nach oben. Da wir uns noch relativ am Anfang dieser Entwicklung befinden, wird sich hierbei in den nächsten Jahren noch einiges ändern.

Entwicklungen im Bereich des dynamischen Ladens

Das Konzept des Ladens während der Fahrt steht im Mittelpunkt vieler Forschungsprojekte. Ziel ist es, lange Autobahnabschnitte mit induktiven Ladestationen auszustatten, sodass Elektrofahrzeuge während der Fahrt kontinuierlich geladen werden können. Ein wesentlicher positiver Nebeneffekt ist die Minimierung der Reichweitenangst, wovon viele Neueinsteiger in der Elektromobilität noch abgeschreckt sind.

Integration in den Alltag

Mit der Weiterentwicklung der Technologie wird auch die Integration des induktiven Ladens in den städtischen Raum immer einfacher. Zukünftig könnten Parkplätze, Tiefgaragen oder sogar Straßen standardmäßig mit induktiven Ladestationen ausgestattet sein, was das Laden von Elektrofahrzeugen noch bequemer macht.