Bezdrôtové nabíjanie je v plienkach, budúcnosť má však veľkú

Prenos elektrickej energie bez káblov? Táto myšlienka vzrušovala vynálezcov a fantastov vari od počiatku elektrifikácie. Ale hoci elektrickú energiu využívame už od 19. storočia, jej bezdrôtový prenos na diaľku je stále nad naše sily. Neznamená to však, že bezdrôtový prenos nezvládame vôbec. Nie sú to síce diaľkové prenosy, no bezkontaktnému nabíjaniu predpovedajú odborníci veľkú budúcnosť.

A nielen to. Zdá sa, že v rámci „behov na krátke trate“ sa čoskoro dočkáme aj ďalšej atraktívnej aplikácie, a tou je bezdrôtové napájanie. Elektronické zariadenia v domácnosti alebo v kancelárii možno budú úplne bez káblov. Pri všetkých koncepciách bezdrôtových prenosov elektrickej energie sa v zásade využívajú dva objavy z oblasti elektrotechniky – elektromagnetická indukcia a magnetická viazaná rezonancia. Otcom obidvoch je ten istý génius, Nikola Tesla.

Nikola Tesla

Muž, ktorý to všetko začal – Nikola Tesla. foto: fanpop.com

MÁGOV ODKAZ

Srbský „čarodejník“ pochádzajúci z Chorvátska, Nikola Tesla, ktorý veľkú časť vavrínmi ovenčeného života prežil v USA, by sa 10. júla 2011 dožil 155 rokov. Do modernej techniky priniesol celý rad patentov a vynálezov. Mnohé zmenili náš každodenný život a nájdeme ich všade naokolo – žiarivky, elektromotory, elektrina vyrábaná generátormi striedavého prúdu a prenášaná rozvodnými sústavami vďaka transformátorom, rádio, kondenzátor a mnoho iných. Na niektoré jeho myšlienky sme stále celkom nedorástli, iné práve dozrievajú a takou je aj bezdrôtový prenos elektrickej energie. Hovorí sa, že Tesla, veľký rival svojho súčasníka T.A. Edisona, vraj dokázal vyrobiť aj umelý guľový blesk. Či je to pravda, nie je dnes celkom isté, klasické blesky však vyrábal rutinne. A určite vieme, že pracoval aj na bezdrôtovom prenose elektrickej energie. Dodnes sa špekuluje o akejsi Teslovej zbrani, ktorá mala byť založená na elektromagnetickom impulze šírenom cez ionosféru. V súčasnosti podobnými prostriedkami na ničenie infokomunikačného vybavenia nepriateľa disponujú moderné armády, nevieme však, či ide o rozvinutie Teslových myšlienok.

Nikola Tesla

Nikola Tesla pri svojom experimentovaní s miliónmi voltov. Foto: Dr. B. Jovanovic, Zdroj: Universalmuseum Joanneum

IDE TO AJ BEZ KÁBLOV, ALE…

Prenos elektrickej energie bez káblov, vedení a všemožných transformátorov vyzerá atraktívne, ťažko však môžeme hovoriť o efektívnom prenose na praktické použitie v bežných zariadeniach, hoci vyrobiť indukovaný elektrický prúd z elektromagnetického poľa nie je problém. Ten nastáva až pri prenose veľkých výkonov v takejto forme na väčšiu vzdialenosť, pretože drvivá väčšina energie sa neefektívne stráca v priestore. Pri dostatočne vysokej intenzite poľa môže elektrická energia dokonca ohroziť živé organizmy na trase prenosu (mikrovlnka, radar). Princíp vyžarovania TV a rozhlasových vysielačov, ktorý je dobrý na plošné šírenie informácií, nie je vhodný na napájanie spotrebičov. Zvýšenie účinnosti použitím smerových žiaričov prináša ďalšie riziká a komplikácie (potrebná je priama viditeľnosť, ochrana zdravia), preto je jeho praktické využitie nereálne. Opäť sa objavili len vojenské aplikácie určené údajne na rozháňanie davu pomocou mikrovlnného žiarenia (čo znie relatívne neškodne, ale nerobme si ilúzie). Napriek tomu má bezdrôtový prenos elektrickej energie sľubnú budúcnosť najmä v civilnom sektore a mnohé aplikácie sú už realitou.

 

INDUKCIA ČI REZONANCIA?

Veľkou inšpiráciou pri vývoji bezdrôtového napájania, resp. nabíjania boli mobilné telefóny. Mobil je totiž fenomén globálnych rozmerov a bezkáblové nabíjanie by vyriešilo aj problémy s kompatibilitou nabíjačiek a konektorov. Aj profesor Soljačić z jednej americkej univerzity dostal vnuknutie hľadať riešenie bezdrôtového napájania potom, keď ho raz v noci prebudil jeho mobil pípaním signalizujúcim vybitú batériu. Napadlo mu, že by bolo praktické, ak by sa mobil dokázal nabiť bez toho, aby sme ho museli pripojiť k nabíjačke. Cesta k použiteľnému riešeniu cez hľadanie vhodnej technológie nakoniec viedla k využitiu magnetickej viazanej rezonancie, s ktorou experimentoval už Nikola Tesla.

Soljačićov tím z Massachusetts Institute of Technology (MIT) sa zameral na prenos energie v pásme niekoľkých MHz a nakoniec sa im podaril na vzdialenosť niekoľkonásobne väčšiu, než sú rozmery rezonátorov. Vysielač v podobe medenej cievky pripojenej k zdroju elektriny prenášal na rovnaký prijímač energiu dostatočnú na rozsvietenie šesťdesiat wattovej žiarovky. Také boli začiatky pred pár rokmi. Fyzikálny proces prenosu elektriny prostredníctvom magnetickej rezonancie pomenoval prof. Soljačić pojmom WiTricity (wireless electricity) a dnes vlastní komerčnú spoločnosť ponúkajúcu praktické využitie technológií na tejto báze, ba dokonca intenzívne pracuje v spolupráci s inými firmami na presadení WiTricity za svetový štandard bezdrôtového napájania. To však nebude jednoduché. Objavujú sa totiž námietky a pochybnosti o obhájiteľnosti patentovej ochrany výsledkov výskumu.

Eric Giler, CEO spoločnosti WiTricity Corporation, k tomu povedal, že myšlienka magnetickej rezonancie síce nie je originálna, ale pred prof. Soljačićom nikto neveril v jej realizovateľnosť do komerčnej podoby. Firma už má registrovaných viac ako 100 patentov súvisiacich s aplikovaním WiTricity, takže otázka patentovateľnosti už nie je aktuálna. Hoci princíp magnetickej rezonancie vyzerá na prvý pohľad jednoducho, pre optimálny prenos energie sú potrebné žiariče a prijímače rôznych veľkostí a tvarov v závislosti od prenášaného výkonu a konkrétnej aplikácie. Firma by chcela zarábať aj na výnosoch z duševného vlastníctva predajom práv a licencií, v portfóliu WiTricity Corp. sa preto objavia aj produkty pre OEM výrobcov, ktorí ich budú integrovať do vlastných zariadení.

WiTricity

Ukážka WiTricity patentu fungovania bezdrôtového nabíjania automobilu spoločnosti Delphi a jeho využitie, Foto: delphi.com

Magnetické pole má tú výhodu, že len málo pôsobí na živé organizmy v priestore a taktiež neovplyvňuje väčšinu bežných materiálov. Ak vám princíp magneticky viazaných rezonátorov pripomína obyčajný elektrický transformátor, kde sa energia takisto prenáša z primárneho do sekundárneho vinutia pomocou magnetickej indukcie, nie ste ďaleko od pravdy. Pri transformátore však musia byť vinutia čo najbližšie pri sebe a v porovnaní s magneticky viazanou rezonanciou je prenos energie pomocou bežnej indukcie asi miliónkrát slabší. Rezonancia všeobecne (mechanická, akustická, elektrická) vedie k efektívnej výmene energie medzi rezonujúcimi predmetmi, pričom nenaladené predmety ovplyvňuje len veľmi málo. Na tomto princípe pracujú aj VF filtre v elektronických zariadeniach. Technológia dobíjania firmy WiTricity Corp. umožňuje dobíjanie bez priameho kontaktu na vzdialenosť rádovo centimetrov až metrov a je účinnejšia, než elektromagnetická indukcia, ktorá predstavuje ďalšiu bezdrôtovú alternatívu.

LG Wireless Charging Pad

LG Wireless Charging Pad je jednou z prvých komerčných bezdrôtových nabíjačiek pre mobilné telefóny. Foto: LG

NABIŤ MOBIL BEZ KÁBLA

Bezdrôtové dobíjanie na báze magnetickej indukcie sa začína uplatňovať pri dobíjaní mobilných telefónov, notebookov a ďalších menších elektronických prístrojov. Napríklad bezdrôtová nabíjačka mobilných telefónov od spoločnosti Seiko Epson, ktorú firma vyvinula v spolupráci so spoločnosťou Murata, dokáže mobilný telefón s kapacitou batérie 800 mAh dobiť za 15 minút. Účinnosť prenosu energie je v tomto prípade okolo 70%. Tých zvyšných 30% môžeme síce považovať za určitú daň z prepychu, ale environmentálne organizácie ani racionálne uvažujúci ľudia nebudú nadšení pri predstave jalovo spotrebovanej energie. Pri takejto účinnosti nie je elektrický sporák či mikrovlnka práve ideálnym kandidátom na bezdrôtové napájanie. Ich príkon bežne dosahuje 1-2 kW, takže pri nižšej účinnosti by boli straty privysoké. Induktívny prenos sa naopak používa napríklad pri sporákoch so sklokeramickou doskou, kde druhú „cievku“ transformátora tvorí samotný hrniec.

Samsung FTQ307

Indukčná varná doska Samsung FTQ307 využíva taktiež „indukčné nabíjanie“. Foto: Samsung

Automobilky už poznajú recept na drahú ropu a pohonné látky. Elektromobily a čiastočne aj hybridy prinesú nízku, v niektorých prípadoch takmer nulovú závislosť od fosílnych palív a znížia aj environmentálnu záťaž emisiami COx, NOx a hluku. Elektromobily sa čoraz viac stávajú súčasťou reality. Svedkami ich nástupu sme práve teraz, no rastúci záujem o vozidlá s elektrickým pohonom môže naraziť na bariéru nevyhovujúcej infraštruktúry. Dimenzovanie rozvodných sietí, ale aj prípojok v domácnostiach a iných odberných miest je len jednou stranou mince. Tou druhou je vybudovanie dostatočnej siete tankovacích (pardon – dobíjacích) staníc a ich forma. Nech je dobíjanie akokoľvek sofistikované, dobiť vysokokapacitnú batériu bude trvať prinajlepšom rádovo pár desiatok minút. Vieme si predstaviť čakanie vo fronte na dobíjanie pri takýchto obslužných časoch? Asi nie.

HaloIPT

Bezkontaktné nabíjanie WiTricity na báze magnetickej rezonancie v Londýne spustila spoločnosť HaloIPT. Foto: HaloIPT

Preto otázka nabíjania elektromobilov patrí medzi kľúčové a vyžiada si celý rad nových technologických riešení infraštruktúry a prístupov od výstavby inteligentných elektrických sietí, po progresívne formy dobíjania vrátane bezdrôtového. Pre bezdrôtový prenos elektrickej energie, a teda aj pre bezkontaktné nabíjanie existujú dva kľúčové fyzikálne princípy: magnetická indukcia a magnetická rezonancia. Obidve technológie majú svojich zástancov aj odporcov a obe podporujú niektoré veľké elektrotechnické a automobilové koncerny.

Pozrite si: Kórejci už fičia na elektrobusoch bezdrôtovo

Z dôvodu účinnosti a niektorých obmedzení nie je induktívne nabíjanie optimálnou technológiou pre elektromobily, no po istom zdokonalení môže dobre poslúžiť. Niektoré spoločnosti sa uberajú práve touto cestou. Volvo Car vyvíja v spolupráci s belgickou firmou Flanders´Drive a ďalšími spoločnosťami induktívne nabíjanie pre elektromobily. Projekt má názov CED (Continuous Electric Drive – Nepretržitý elektrický pohon) a pri testovaní sú použité upravené elektromobily Volvo C30 Electric. Pri induktívnom nabíjaní je energia bezdrôtovo prenášaná do batérie vozidla prostredníctvom nabíjacej platne zabudovanej v povrchu cesty, resp. parkovacieho miesta, pričom induktívny prijímač je v podlahe vozidla. Keď  auto zaparkuje nad indukčným vysielačom, energia sa presunie bez fyzického kontaktu do indukčného snímača na vozidle. Takto prenesený striedavý prúd je následne usmernený a dobíja batérie vozidla. Plné nabitie batérií s kapacitou 24 kWh, aké sú v modeli Volvo C30 Electric, údajne trvá len 80 minút.

Volvo C30 Electric

Foto: Volvo

Pozrite si: Grafénové superkapacitory: ďalšia revolúcia?

NABÍJANIE JE LACNEJŠIE

„Kým nakúpite alebo sa navečeriate v reštaurácii, vaše auto sa dobije. Následne zaplatíte priložením bezhotovostnej karty s NFC alebo RFID technológiou. Nedá sa presne predvídať vývoj cien, ale už dnes je elektrické nabíjanie priemerne 3-4x lacnejšie, ako tankovanie pohonných hmôt“, hovorí Vladimír Říha, riaditeľ divízie Power Distribution spoločnosti Siemens. Aj Siemens testuje induktívne nabíjanie elektromobilov a elektrobusov v Berlíne. Podľa slov Johanna Konnberga z Volvo Car zatiaľ neexistuje žiadny bežný štandard pre indukčné nabíjanie. Všetko je vo vývoji, no budúce možnosti sú obrovské. „Jedným z aspektov projektu je integrácia technológie do povrchu cesty a prevedenie energie priamo odtiaľ na pohon vozidiel. Toto je inteligentné riešenie, ktoré je cestou do budúcnosti“, zdôrazňuje Johan Konnberg. V takomto prípade by sa z elektromobilu stalo trakčné vozidlo, ktoré nie je odkázané na energiu z batérií, ale fungovalo by podobne ako trolejbus. Už žiadne dobíjanie či tankovanie. Čo poviete na takýto komfort?

WiTricity

Jednoduchý nákres nabíjania od spoločnosti Wi3city foto: Wi3city

Iné spoločnosti však stavili skôr na magnetickú rezonanciu, ale ani tá nevylučuje koncept trakčného napájania. Naopak, práve o takýchto aplikáciách bezdrôtovej elektrifikácie sníval slávny vynálezca a objaviteľ tohto princípu Nikola Tesla. Toyota Motor Corporation (TMC) uzavrela dohodu o technickej spolupráci s americkou spoločnosťou WiTricity. Jej cieľom je vyvinúť praktické aplikácie bezdrôtového dobíjania akumulátorov v automobiloch na báze magnetickej rezonancie a napomáhať k ďalšiemu presadzovaniu týchto systémov. TMC má v pláne podieľať sa na zvýšení základného imania spoločnosti WiTricity. Toyota je presvedčená, že bezdrôtové dobíjanie pomocou rezonancie je pre automobily vhodnejšie, ako indukčné a zasadzuje sa o čo najrýchlejšie uvedenie tejto technológie do praxe. Dobíjanie vozidiel s hybridným pohonom typu plug-in alebo elektromobilov by potom mohlo jednoducho spočívať v zaparkovaní v blízkosti zabudovaného dobíjacieho zariadenia, či už doma v garáži alebo na verejnom parkovisku. Výhodou oproti indukčnému nabíjaniu je v tomto prípade to, že vozidlo nemusí byť s veľkou presnosťou zaparkované nad vysielacou indukčnou cievkou, keďže energiu je možné prenášať na väčšiu vzdialenosť s minimálnymi stratami. Súčasný stav vývoja technológie dokáže preniesť výkon viac ako 3 kW, čo umožní nabiť batérie elektromobilu rovnako rýchlo, ako z bežnej elektrickej zásuvky. Obidva spôsoby bezkontaktného či bezdrôtového nabíjania a napájania nachádzajú samozrejme uplatnenie aj v iných oblastiach a vďaka omnoho nižším požadovaným výkonom už skôr prenikli do sféry elektronických zariadení, domácich multimédií a mobilných telefónov.

Pozrite si: Osemnásťročná Eesha Khare získala ocenenie Intelu za superbatériu pre mobily

 

EXISTUJÚCE OTÁZNIKY

V súvislosti s očakávaným boomom bezdrôtových prenosov elektriny sa otvára otázka bezpečnosti a zdravotnej nezávadnosti. Neprichádza tu síce k podobným javom, ako v mikrovlnke, ale pôsobenie silných magnetických polí na živé organizmy nemusí byť neškodné. WiTricity používa prenosové pásma v rozsahu od 0,3 do 20 MHz, pričom niektorí vedci (nielen) v Japonsku spochybňujú neškodnosť silných dávok neionizujúceho žiarenia. Do tejto oblasti patrí aj problematika vyžarovania mobilných telefónov, ktorá je horúcou témou už dve desaťročia a ako jedna z mála má definované aj povolené limity na maximálnu mieru absorbovaného elektromagnetického žiarenia (SAR, specific absorption ratio). Podľa slov generálneho riaditeľa WiTricity, firma pri vývoji svojich produktov berie do úvahy predpisy a ustanovenia štandardizačných inštitúcií (IEEE), ale aj regulačných orgánov ako FCC (Federal Communications Commission) a ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection). Aj keď sa pri napájaní či dobíjaní elektromobilov prenášajú výkony rádu niekoľkých kilowattov, prenos bude prebiehať medzi vozidlom a žiaričom vysielača a pre posádku vo vozidle bude bez fyzikálneho vplyvu. Eric Giler napriek tomu zostáva vo vyjadreniach opatrný. Tvrdí však, že v čase komerčného nasadenia budú zariadenia na báze WiTricity spĺňať všetky predpoklady na bezpečnú prevádzku a predpisy.

Opatrnosť je v tomto prípade určite namieste. Jedna vec je dobíjanie elektromobilu na parkovisku alebo v garáži, druhá zas neustále kumulovanie záťaže elektromagnetickými poľami technického charakteru v obytných a pracovných priestoroch. K silovým a počítačovým rozvodom sa pridali mobilné telefóny, siete WLAN, prichádzajú štandardy na bezkáblové prepájanie multimediálnych zariadení a na prahu je ich bezkontaktné napájanie.

Pozrite si: Dýchajúce batérie od IBM znásobia dojazd elektromobilov

WiTricity

Foto: WiTricity

WITRICITY FAVORITOM?

Varovný prst najnovšie dvíha Rada Európy (RE). Jej parlamentné zhromaždenie v dokumente „Potenciálne nebezpečenstvo elektromagnetických polí a ich vplyv na životné prostredie“ vystríha pred rizikami používania bezdrôtových technológií a berie to pekne zaradom. Vonku aj vo vnútri sme vraj atakovaní poľom základňoviek GSM, UMTS a „Wi-Fi antén“, radarových staníc, elektrických rozvodov, domácich spotrebičov, bezšnúrových DECT telefónov, detských telefónov a iných zariadení. RE apeluje na starostlivosť o deti a odporúča parlamentom členských krajín prijať účinnú legislatívu na monitorovanie a meranie elektromagnetického smogu v ovzduší. Netreba však hádzať všetky technológie do jedného vreca. Pri magnetickej rezonancii je jalové vyžarovanie elektromagnetického poľa do okolitého priestoru minimálne, aj preto táto metóda prenosu vyzerá nanajvýš atraktívne. Elektromagnetické polia sa pritom tvoria aj pozdĺž prenosových elektrických vedení a vedení elektrickej trakcie. Obe tu existujú už dlhšie ako storočie a nezaznamenali sme žiadnu paniku alebo negatívne dopady na ľudskú populáciu. Istou výnimkou sú trasy vedení vysokého a veľmi vysokého napätia, kde je potrebné zachovávať určité ochranné pásmo, keďže tam boli popísané interakcie so živými organizmami.

Renault

Ešte dlhú dobu budeme naše elektromobily dobíjať klasiky „káblovo“ Foto: Renault

Pozrite si: Batérie, ktoré sa nabijú za okamih!

Okrem toho bezdrôtové dobíjanie elektromobilov, nech je akokoľvek praktické a pohodlné, bude len jedným smerom vývoja. Hlavným prúdom, aspoň spočiatku, budú tzv. plug-in elektromobily a hybridy, ktoré bude možné dobíjať aj z bežnej elektrickej siete. Takouto možnosťou budú pravdepodobne disponovať aj vozidlá vybavené bezkontaktným nabíjaním, aby sa zvýšila variabilita a potenciálny počet dostupných nabíjacích miest. Dobíjanie zo zásuvky však nebude vhodné na rýchle „tankovanie“ energie. Aby sa do veľkokapacitných batérií stihli uložiť desiatky kilowatthodín energie rádovo za pol hodiny, potrebné sú veľké prúdy a vysoký výkon prenosu. Takto dimenzované prípojky sa dnes v domácnostiach bežne nevyskytujú. Preto sa plug-in vozidlá budú nabíjať nižším prúdom niekoľko hodín počas noci alebo počas pracovnej doby. Rýchlonabíjacie stanice bude potrebné vybudovať zvlášť v rámci inteligentných rozvodných sietí a budú ich potrebné v každej krajine tisíce. Už dnes však dochádza k ich realizácii. Napríklad VINCI Autoroutes, francúzsky prevádzkovateľ diaľnic, v spolupráci s automobilkou Renault vybuduje vraj do roku 2013 takýchto staníc v krajine 738.

Pozrite si: Sieť „supernabíjacích staníc“ Tesla Motors a jazdenie navždy zadarmo!

SWNS

Hoci aj na výrobu elektrickej energie sú potrebné i fosílne palivá, elektráreň Gemasolar v Španielsku dokazuje, že to ide aj plne ekologicky Foto: SWNS.com

Bezdrôtové nabíjanie – strašidlo, či reálna hrozba? Rozuzlenie tejto dilemy nie je témou tohto článku, ale hygienické návyky sú vždy výhodou. V prípade bezdrôtového napájania či nabíjania to platí vo zvýšenej miere, lebo tam už ide o iný level. Ktovie, čo by na to povedal starý dobrý Tesla. Hoci ten, ako vieme, rozhodne elektrofóbiou netrpel.Tak či onak, elektromobily, aj tie s elektrickou trakciou, aj tie s batériou či s hybridným spaľovacím motorom budú určite environmentálnym prínosom. V mestách prispejú k výraznému zníženiu emisií plynov aj hlučnosti a k zvýšeniu životného štandardu. Vedci, technici a tvorcovia legislatívy a technických noriem zas musia vytvoriť také predpoklady na fungovanie infraštruktúry bezkontaktného dobíjania resp. napájania, aby nemali negatívny dopad na životné prostredie.

Komentáre k článku