Stand der Technik: Good-bye, Ladekabel

Ist das die Zukunft? Ständiges Hantieren mit einem Ladekabel, das sich manchmal etwas störrisch zusammenrollen lässt und schon nach kurzer Zeit dreckig ist? Die Zukunft hat weitere Lösungen parat, länger als drei oder vier Jahre müssen wir darauf nicht mehr warten. Ganz vorn dabei: das induktive, berührungslose Laden, das wir schon einige Zeit vom Mobiltelefon (und nicht nur von ihm) kennen. Des Weiteren gibt es das konduktive Laden, auch leitungsgebundenes Laden genannt. Bei dieser Technik wird die feste elektrische Verbindung zwischen Auto und Stromnetz ganz automatisch von einem kleinen Roboterarm hergestellt. Induktives und konduktives Laden sind bereits in der Erprobung und in Kürze serienreif. Was sie auszeichnet und wo sie sich unterscheiden, erklären wir hier.

Laden per Induktion – die Zahnbürste kann es schon seit Jahrzehnten

Damit Strom fließt, muss nicht unbedingt ein Kabel vorhanden sein. Zumindest abgesehen vom Kabel, das die Ladestation an das Stromnetz anbindet. Eine Kabelverbindung vom E-Auto zur Ladestation besteht allerdings nicht, wenn induktiv geladen wird. Das Auto muss lediglich über der stromliefernden Station parken. In ihr befindet sich eine Spule, durch die Wechselstrom fließt. Dieser Strom erzeugt ein Magnetfeld. Im Empfangsteil des E-Autos unter dem Bug, befindet sich ebenfalls eine Spule, die die Induktion nutzt. Induktion bedeutet, dass ein sich veränderndes Magnetfeld in einem benachbarten Stück Metall elektrischen Strom erzeugt. Dabei liegt zwischen den Spulen immer ein kleiner Abstand oder Luftspalt. Bei der elektrischen Zahnbürste oder dem Mobiltelefon, die schon lange induktiv geladen werden können, ist der Spalt nur wenige Millimeter groß, beim E-Auto kann er dagegen 15 bis 20 Zentimeter breit sein. Es gilt: je schmaler, desto besser, für den Wirkungsgrad.

Systeme, die induktives Laden unserer E-Autos ermöglichen, haben die Versuchslabore längst verlassen und werden mittlerweile unter realen Bedingungen erprobt. „Halo“ nennt der amerikanische Hersteller WiTricity sein induktives Ladesystem. Es ist so ausgelegt, dass es in der Serienproduktion eines Autos direkt eingebaut oder auch nachgerüstet werden kann. In Deutschland haben die Amerikaner die Firma ABT e-Line als Partner für solche Nachrüstlösungen gewonnen. Im Normalfall soll „Halo“ mit elf kW laden und auf eine Effizienz von 92 Prozent bei der Stromübertragung kommen. Nach Aussagen von WiTricity wäre das induktive Laden so effektiv wie das Stromzapfen per Kabel. Zum Vergleich: Beim Kabel erzielen wir einen etwas höheren Wirkungsgrad von etwa 94 bis 98 Prozent; der Rest geht, größtenteils als Wärmeentwicklung, beim Laden verloren. BMW ist davon überzeugt, dass Laden noch einfacher als Tanken ist. Die Option BMW Wireless Charging ist etwa beim 530e iPerformance bestellbar.

Induktive Ladesysteme sind komfortabel und robust

Einer der Vorteile des kabellosen Ladens ist seine Schmutzunempfindlichkeit. Die elektromagnetischen Wellen durchdringen alles, was nicht aus Metall ist. Das System funktioniert auch bei Schnee, Schlamm, Staub, Eis, Wasser, Laub und allen nichtmetallischen Fremdkörpern, die sich zwischen Ladegerät und Empfänger unter dem Auto befinden. Da es keine beweglichen Teile gibt, ist es robuster, zuverlässiger und komfortabler als alle anderen Ladesysteme.

Noch fehlen allerdings Standards, die das System exakt beschreiben und dessen technische Inhalte festlegen, damit es herstellerübergreifend und international eingesetzt werden kann. Allerdings bemühen sich verschiedene Organisationen (SAE, ISO, IEC, SAC) in den USA, Europa und China darum, diese Standards einzurichten. Die Entwickler bei WiTricity sehen sich in diesem Punkt bald am Ziel. In den USA betreibt das Unternehmen bereits größere Testflotten und denkt an eine zeitnahe Markteinführung.

Tesla kauft Know-how zum induktiven Laden zu

Eine Nachricht zum induktiven Laden dürfte die Markteinführung weiter beschleunigen: Tesla hat ein Spezialunternehmen übernommen, das bereits seit Langem induktive Ladesysteme für fahrerlose Transportsysteme und Flurförderfahrzeuge entwickelt und verkauft – Wiferion. Das Unternehmen mit Sitz im badischen Freiburg wurde 2016 gegründet und firmiert laut Handelsregistereintrag bereits als Tesla Engineering Germany GmbH. Mit dem Kauf dürfte Tesla zweierlei Absichten verfolgen. Einmal lässt sich mit den Wiferion-Entwicklungen die Stromversorgung der fabrikeigenen Förderfahrzeuge auf den neuesten Stand bringen, vor allem aber können die Automodelle mit dem kundenfreundlichen Ladesystem ausgerüstet werden.

Dafür muss es Tesla gelingen, die Autos automatisch und exakt über der Bodenplatte des induktiven Ladesystems zu positionieren. Denn das ist notwendig, damit die Spulen im Auto und im Bodensystem aufeinander reagieren können. Für die Positionierung könnten Kameras oder Ultraschallsensoren genutzt werden. Beides hat Tesla bei seinen Modellen allerdings weggespart. Es bleibt also abzuwarten, wie Tesla die notwendige hohe Parkgenauigkeit erzielen will. Audi, BMW, Mercedes und Porsche – oder kurz gesagt: die Konkurrenz, deren Autos mit entsprechender Sensorik ausgerüstet sind – haben hier einen theoretischen Vorteil.

Theoretisch deshalb, weil sich das Interesse an der induktiven Ladetechnik bei den meisten Autoherstellern – nicht nur den genannten – in sehr engen Grenzen hält. Einer der Kritikpunkte (neben der noch nicht abgeschlossenen Standardisierung) ist die eingeschränkte Ladeleistung: Maximal 22 kW lassen sich nach heutigem Kenntnisstand induktiv ins Auto übertragen, für das Schnellladen zu wenig. Soll mehr Strom fließen, muss aktiv und damit aufwendig gekühlt werden. Das kostet Geld und Platz und lässt eine weitere alternative Lademöglichkeit interessant werden.

Konduktives Laden – mit elektrischem Leiter, aber vollautomatisch

Bei der konduktiven Stromübertragung sind auch Ladeleistungen deutlich über 100 kW möglich. Schließlich kommt hier, wie beim Kabel, ein elektrischer Leiter zum Einsatz, der bei entsprechender Dimensionierung sehr hohe Ströme übertragen kann. Der Aufbau unterscheidet sich aber grundlegend von der konventionellen Ladeinfrastruktur. Beim kabelgebundenen Laden wird Platz zum Aufbau der Säulen benötigt. Davon ist in Innenstädten viel zu wenig vorhanden. Wenn die dringend benötigte Lademöglichkeit den Gehweg verkleinert oder sogar ein ernsthaftes Hindernis für Fußgänger, Rollstuhlfahrer oder Kinderwagen darstellt, ist die Akzeptanz schnell weg. Die Bodeneinheiten der konduktiven Systeme können dagegen, wie bei den induktiven, bündig im Boden versenkt werden – sie fallen weder optisch ins Gewicht, noch stören Säulen oder Kabel und nehmen Platz weg oder bilden Stolperfallen.

Nahezu serienreif sollen die konduktiven Systeme Easelink und Volterio sein. Bei Volterio engagiert sich Zulieferer Continental und gibt an, dass die Lademöglichkeit 2025 in Serie geht. Zum System von Volterio gehört ein auf dem Boden montierter Roboterarm, während im Auto das Gegenstück in Form einer Buchse angebracht ist. Sie stellt den elektrischen Kontakt her, vorausgesetzt das Auto parkt einigermaßen treffend über der Bodenplatte. Abweichungen von bis zu 40 Zentimetern kann das System ausgleichen. Easelink geht den umgekehrten Weg. Hier ist der Ladearm unter dem Auto montiert, die Ladeplatte dagegen am Boden. Das „Matrix Charging“ genannte System ist in Österreich bereits in der Erprobung, eine Taxiflotte von 60 Fahrzeugen nutzt es. Ab 2025 werden in Österreich nur noch E-Fahrzeuge als Taxen neu zugelassen. Konduktive Lademöglichkeiten an den üblichen Taxi-Wartestationen würden jede Diskussion um eine zu geringe elektrische Reichweite beenden.

Ganz so robust wie das Laden über den Luftspalt sind diese Systeme nicht. Ihre Anfälligkeit für Verschmutzungen ist größer, mechanische Bauteile am Auto oder in der Bodenplatte können verschleißen und auch hier fehlen noch Standards. Aber Easelink arbeitet daran, „Matrix Charging“ als einen internationalen Standard zu etablieren. Einen Preis gibt es bereits. Die Komponenten sollen um 2.500 Euro kosten und für einen Einbau am Auto fallen noch einmal etwa 400 Euro an. Billig sind diese Systeme also zunächst nicht, werden sie aber erst einmal in großer Stückzahl produziert, sinken die Preise schnell.

Robotaxen sind ohne automatische Ladesysteme nicht wirtschaftlich

Große Stückzahlen sind selbst dann zu erwarten, wenn Privatkunden zunächst nicht auf die Technik setzen. Das induktive und das konduktive Laden eignen sich nämlich ideal für Robotaxen: Ihnen fehlt der Fahrer, der den Akku des Personentransporters mittels Kabel ans Netz hängen kann. Automatische Systeme sind in diesem Fall der Königsweg. Die teuren Sensoren zur exakten Positionierung über der Bodenplatte besitzt das Robotaxi in jedem Fall. Der Aufpreis für automatische Ladesysteme ist kein großes Thema, denn sie helfen Flottenbetreibern, Personalkosten zu vermeiden, und erlauben damit in Zukunft attraktive Tarife für die Nutzung eines autonomen Taxis.

Science-Fiction, weil Robotaxen noch jahrelang nicht fahren werden? Nein, Gegenwart. In den USA sind sie in San Francisco und Phoenix bereits flächendeckend im Einsatz. Waymo meldet, dass pro Woche bereits mehr als 10.000 autonome Taxifahrten stattfinden und der Service schon bald auf Los Angeles ausgedehnt wird. Die General-Motors-Tochter Cruise bietet den Robotaxi-Service im gesamten Stadtgebiet von San Francisco an, rund um die Uhr. Darum wagen wir hier eine Prognose: Wenn sich die komfortverliebten Amerikaner erst einmal an die automatischen Ladesysteme gewöhnt haben, werden sie dem Kabel im Frunk ihrer E-Autos ein für alle Mal Goodbye sagen.