Pieter Edelman
2 April 2012

Nu apparatuur steeds minder vaak een kabeltje nodig heeft voor dataoverdracht, wordt er ook langzaam gekeken naar het weglaten van het stroomdraadje. De consument krijgt het daarmee makkelijker. Maar de technologie gaat gepaard met flinke stroomverliezen.

Draadloze energieoverdracht kan op een groeiende belangstelling rekenen op de grote elektronicabeurzen en in technologische nieuwsbladen en -blogs. Concrete producten komen er echter niet van de grond. Zoals bij de meeste ontluikende technologieën was het de afgelopen jaren een kakofonie aan bedrijfseigen, incompatibele en daarmee concurrerende oplossingen. De consument haalde daar tot nog toe zijn neus voor op en de grote elektronicamakers durfden het nog niet aan om met de technologie in zee te gaan. Voor een van de toepassingsgebieden is er nu een standaard, ondersteund door een brede groep van grote elektronicanamen. Qi is de naam, naar de levensenergie uit de Chinese ’geneeskunde‘. Onder meer Philips was nauw betrokken bij het schrijven van de standaard. Bedrijven als Freescale, HTC, LG, Nokia, Samsung, ST-Ericsson en Texas Instruments hebben zich er al achter geschaard.

Qi bakent een specifiek scenario af van draadloze energieoverdracht, namelijk het opladen van een accu, over korte afstand, van consumentenelektronica. De eerste producten zijn al op de markt, onder meer van het in Eindhoven gevestigde Zens. De use case is om een stuk elektronica (vooral smartphones worden beoogd) bij thuiskomst op een matje te leggen, waarna deze automatisch oplaadt. Een kabeltje erin prikken is dan niet meer nodig. Daarvoor moeten een spoel en de nodige stuurelektronica worden ingebouwd in het device. Op dit moment zijn dit soort telefoons er nog niet, maar dat probleem wordt ondervangen door hoesjes en adapters.

Zoals eigenlijk alle serieuze draadloze-energietechnologieën werkt Qi via magnetische inductie: een geleider waar een stroom doorheen loopt, induceert een stroom in een geleider in de buurt. De methode wordt al jaren op bescheiden schaal toegepast in bijvoorbeeld elektrische tandenborstels, waar een kabeltje vanwege vocht niet zo praktisch is. Er kleeft helaas een groot nadeel aan de methode: de efficiëntie is beperkt.

Het is niet lang zoeken op de homepage van het Wireless Power Consortium, de industriegroep achter de Qi-standaard, naar een paragraaf over energieverbruik: direct na de vraag ’Hoe het werkt‘ wordt ingegaan op het onderwerp. Want dat draadloze energieoverdracht met verliezen gepaard gaat, is evident. Zeker als de afstanden tussen de geleiders groter worden, keldert de efficiëntie – vandaar het laadmatje. ’Wat kan een koperen draadje verslaan?‘, vraagt de website zelf retorisch. Wat volgt, is een rekenvoorbeeld van hoe het wel meevalt met de verliezen als het totale systeem wordt beschouwd.

Zens
Met een laadmatje hoeven smartphones niet meer ingeplugd te worden – als ze voorzien zijn van een laadspoel.

Een belangrijk uitgangspunt daarbij is dat de consument zijn lader altijd in het stopcontact laat zitten, een niet geheel onrealistisch scenario. Laders bevatten een transformator om de netspanning om te zetten naar een voltage dat geschikt is voor het apparaat. Daar gaan vaak al enkele tientallen procenten van de energie verloren. Het relatieve aandeel van de verliezen tijdens het overstralen van energie met een Qi-lader wordt daardoor wat uitgevlakt. Bovendien ontberen veel gewone laders de intelligentie om zichzelf uit te schakelen als er geen belasting meer aan hangt. Deze stand-byverliezen kunnen aardig in de papieren lopen. Samen met de relatief grote tijd dat deze laders onbelast ingeplugd zijn, kan het verbruik hier net zo groot worden als tijdens het laden van een mobieltje. Een Qi-device kan ook meerdere apparaten opladen. Dat scheelt in het aantal transformatoren dat in stand-bymodus stroom staat te verbruiken.

In dit soort berekeningen vallen Qi-laders niet heel ongunstig uit. Maar toch, ze kunnen niet op tegen een koperen kabeltje. Bovendien verdwijnt het voordeel grotendeels als een lader zichzelf wel weet uit te schakelen.

Beton

De efficiëntie hoeft echter niet zo beroerd te zijn, bedacht MIT-hoogleraar Marin Soljačić zich in 2005. Het toverwoord is resonantie. Sommige elektrische circuits zijn intrinsiek resonerend, zoals LC-circuits met een spoel en een condensator: de stroom die uit de condensator stroomt en een magnetisch veld in de spoel opwerkt, wordt nagenoeg volledig weer opgenomen door de condensator. Tenzij in de buurt van een ander circuit met dezelfde resonantiefrequentie. In dat geval pikt deze een gedeelte van de energie in het zendcircuit op.

Dit principe was al wel bekend en werd bijvoorbeeld toegepast voor het laden van medische implantaten. De MIT‘ers wisten de theorie echter sterk uit te breiden. Ze kwamen tot het inzicht dat deze ’sterke koppeling‘ opgeschaald kan worden tot een afstand van enkele tientallen meters.

Dit onderzoek leidde tot een MacArthur Fellowship in 2008 voor Soljačić en tot de oprichting van Witricity. Dit bedrijf produceert zelf geen eindapparatuur, maar mikt op OEM‘s voor het inbouwen van zijn technologie. Het heeft al samenwerkingen lopen met Osram en GE, en de namen van Apple en Nokia worden genoemd.

Het gebruiksmodel achter Witricity is wat anders dan dat van Qi. De MP3-speler of smartphone hoeft niet op een matje te worden gelegd, maar kan zich zo‘n beetje overal in de woning laven aan de alomtegenwoordige elektriciteit die de zender uitstraalt. Beton, baksteen, hout en glas vormen geen belemmering.

Maar de visie van het Amerikaanse bedrijf gaat veel verder dan het laden van gadgets. De technologie kan ook worden gebruikt om apparatuur direct van prik te voorzien en is schaalbaar tot enkele kilowatt: ook tv‘s, laptops en zelfs industriële robots zouden écht draadloos kunnen worden.

Ook elektrische auto‘s ziet Witricity, net als vele andere bedrijven overigens, als een sweet spot voor elektrisch laden. Een automobilist zou bij thuiskomst geen stekker meer in zijn wagen hoeven te steken, simpelweg in de garage parkeren is voldoende. Een daar aangebracht laadsysteem vult de accu‘s netjes af. De MIT-spin-off heeft al researchcontracten en investeringen op zak van grote automakers. Afgelopen maand ondertekende het bedrijf nog een overeenkomst met Mitsubishi Motors voor het ontwikkelen van een draadloos laadsysteem voor elektrische auto‘s.

Schrikbarend

Volgens Witricity kan zijn technologie aanzienlijke stroombesparingen opleveren bij apparatuur die normaal gesproken op batterijen werkt. Die zouden nu direct stroom ’uit de lucht‘ kunnen tappen, zonder de energieverkwistende tussenstap van batterijen.

Daar zijn wel de nodige vraagtekens bij te plaatsen. De meeste batterijgevoede apparaten – smartphones, tablets, MP3-spelers, e-readers, laptops – zijn bedoeld om mee naar buiten te nemen. Daar zal de batterij gewoon blijven. En bij apparatuur die in huis mag blijven, is een stekker doorgaans weer geen bezwaar. Het voordeel geldt alleen voor enkele randgevallen waar de apparatuur binnenshuis mobiel moet zijn, zoals afstandsbedieningen en het incidentele scheerapparaat. Dat zijn niet de grootste energievreters.

Bovendien moet ook mét een resonante koppeling rekening worden gehouden met aanzienlijke verliezen. Toen het MIT-team in 2007 naar buiten trad met zijn vinding, stuurde het de stroom voor een 60 watt peertje over twee meter, met een efficiëntie van slechts een schrikbarende veertig procent. Ondertussen is dat waarschijnlijk wel sterk verbeterd. Voor zijn autolaadsysteem geeft het bedrijf een efficiëntie van negentig procent af over een afstand achttien centimeter. Het zegt zelf dat de efficiëntie van zijn technologie in het meest gunstige geval boven de 95 procent uitkomt – vermoedelijk niet véél erboven. Bovendien neemt ook hier de efficiëntie af met de afstand en kan de vorm van de ontvanger van invloed zijn.

De vraag is of de verliezen opwegen tegen het gemak voor de consument. Die wordt steeds energiebewuster. Maar als een bedrijf als Apple zich achter de technologie schaart, zullen er niet veel vragen worden gesteld over stroomverspilling.