Het draadloze energie-internet komt eraan
Nooit meer nadenken over opladen, geen gezeul met opladers of de oplader van je collega moeten lenen: het lijkt een utopie, maar het komt eraan. Met draadloze opladers voor voertuigen, smartphones en sensoren komt een mobiel energie-internet in zicht: een volledig mobiele wereld waarin energie en data draadloos wordt verstuurd.
Dit artikel verscheen bij OneWorld/Powerswitch, een weblog over de energietransitie. Het maakt deel uit van mijn toekomstverkenning naar de energietransitie.
De afgelopen jaren zijn veel van onze apparaten mobiel geworden dankzij compacte batterijen. Dankzij mobiel internet kunnen we ze bovendien overal gebruiken. Maar hoe compact de batterij ook is geworden, het is nog altijd een flink onderdeel van je telefoon. Hij moet bovendien regelmatig worden opgeladen aan het stopcontact. Maar dit probleem is, met de komst van draadloos opladen, binnenkort verleden tijd.
De toekomst is draadloos: energie en data worden contactloos overgestuurd naar alle apparaten: smartphone, sensoren en voertuigen.
Draadloos laden lijkt misschien een nieuwe gadget voor techfreaks, maar het is een belangrijk onderdeel van het ‘elektrificeren’ van de samenleving. In een wereld vol ‘intelligente’ apparaten – van sensoren en smartphones tot robots en auto’s met ingebouwde intelligentie – wordt de uitdaging om alles opgeladen te houden al snel een dagtaak. Wil je minder vaak hoeven opladen dan heb je weer een grotere batterijen nodig en daar is niet altijd ruimte voor. Bovendien verhoogt een grotere batterij het gewicht en dus het stroomverbruik – een belangrijkste uitdagingen voor fabrikanten van elektrische auto’s – en vraagt ook om allerlei kostbare grondstoffen.
Echte vrijheid door volledig contactloos laden
De eerste stappen voor de echte vrijheid van het draadloos laden zijn gezet. De nieuwste generatie smartphones van onder andere Nokia, Apple, Samsung en Huawei ondersteunen sinds enkele jaren de zogeheten ‘Qi-standaard’ voor draadloos opladen. In de praktijk betekent dit dat je een smartphone op een vlakke ‘plaat’ legt waardoor hij wordt opgeladen. Zo’n plaat kan geïntegreerd worden in een meubel of een lamp, zoals IKEA doet. Maar de smartphone moet in al deze gevallen nog steeds contact maken met de plaat of er heel dichtbij liggen. Met de nieuwe smartphone van Huawei kun je een andere smartphone opladen door de achterkanten tegen elkaar te houden.
Het wordt pas echt gemakkelijk als apparaten op afstand kunnen worden opgeladen, terwijl ze in je broekzak zitten
Het wordt natuurlijk pas echt leuk als apparaten op áfstand kunnen worden opgeladen, terwijl ze in je broekzak zitten of terwijl je ermee door de kamer wandelt. Daaraan wordt nu hard gewerkt door de techindustrie. In de loop van 2019 zal de eerste apparatuur op de markt komen.
De technieken om energie over enkele meters te verzenden zijn al langer bekend: infrarode straling, radiosignalen, magneetvelden of ultrasoon geluid. Elke techniek heeft zijn eigen voor- en nadelen (zie kader). De grootste uitdaging is om de technieken echt ‘mobiel’ te maken, en daarmee compact en efficiënt genoeg. Alle technieken werken met een zender en ontvanger. De zender (bijvoorbeeld de eerder genoemde plaat) is, net als een WiFi-modem, verbonden met het stopcontact. Deze zet elektriciteit om in een energierijk signaal en zendt dit uit. De ontvangers (bijvoorbeeld in je telefoon) zetten het ontvangen signaal vervolgens om in stroom om het apparaat te voeden of om een interne batterij mee op te laden. Apparaten worden continu maar, vergeleken met een snoertje, langzaam opgeladen wanneer ze binnen het bereik van de zender zijn.
De ontvangers moeten worden ingebouwd in alle apparaten en dat kost geld en ruimte. Fabrikanten van mobiele apparaten moeten dus de keuze maken welke techniek en welke standaard ze gaan ondersteunen. Die strijd is voorlopig nog niet beslist, waardoor de grote doorbraak nog wel even kan uitblijven, tenzij enkele grote spelers een bepaalde technologie gaan omarmen – zoals Apple zich vorig jaar achter de Qi-standaard schaarde.
Technieken voor draadloos opladen
Elke techniek heeft zijn eigen voor- en nadelen. Aan alle kanten wordt gewerkt om de zwakke plekken van de technologieën te ondervangen.
Infrarood, bekend van de afstandsbedieningen en computermuis, werkt alleen als er geen obstakels tussen zender en ontvanger zitten: ze moeten altijd in elkaars gezichtsveld zitten. Daarom hangen de infrarood-zenders aan het platfond. Elk op te laden apparaat heeft een klein ‘oogje’ lijkend op een klein zonnecelletje waarmee het de straling kan opvangen. Bij infrarood kan de energie heel goed gericht worden overgestraald waardoor relatief snel kan worden opgeladen. Infrarood wordt o.a. ontwikkeld door het bedrijfje Wi-charge.
Radiosignalen, die we kennen van WiFi en Bluetooth, kunnen deels door objecten heen. De zenders en ontvangers zijn kleiner en gemakkelijk te integreren in apparaten. De componenten lijken op de ontvangers voor 4G en WiFI-signalen die al in veel apparaten ingebouwd zijn. Radiosignalen waaieren echter gemakkelijk uit. Dit is handig voor een goede dekking van mobiel internet, maar niet als je een apparaat gericht wil opladen en dus zoveel mogelijk energie gebundeld wil overzenden. Opladen kan dan lang duren. Radiofrequent opladen wordt o.a. ontwikkeld door het bedrijfje Energous.
Magneetvelden en ultrasoon-signalen gaan redelijk goed door obstakels heen maar kunnen gemakkelijker storingen geven aan andere apparatuur. Opladen met magneetvelden wordt o.a. ontwikkeld door het bedrijfje Pi-charge. UBeam doet dit met ultrasoon geluid.
Voertuigen opladen via het wegdek
Naast smartphones en tablets zijn elektrische auto’s, drones en robots klaar om de markt te veroveren. Deze gebruiken nog een stuk meer energie en ook hier is opladen een groot vraagstuk: er is ruimte voor een flinke batterij maar deze moet liever niet té groot en zwaar worden. Daarom wordt ook in deze hoek naar draadloos opladen gekeken.
Zo kan je elektrische auto’s opladen via het wegdek. Dat werkt vergelijkbaar met de manier waarop smartphones worden opgeladen, maar dan is alles een tandje groter. In het wegdek worden energiekabels en magneetspoelen aangelegd om elektrische velden mee op te wekken die door auto’s worden opgevangen en omgezet in energie. De energieoverdracht verloopt het beste wanneer de auto niet te hard rijdt. Maar zelfs dan gaat nog zo’n 60 procent van de energie die in de kabels gestopt wordt verloren. Daarom werken sommige bedrijven aan een oplossing waarbij de auto wel contact maakt met de weg via een strip die over de grond sleept, een beetje zoals een tram zijn stroom uit kabels boven zich haalt, maar dan in de grond (zie bijvoorbeeld dit Zweedse concept). Daardoor gaat veel minder energie verloren dan bij het draadloze laden.
Draadloze sensoren voeden met WiFi
Auto’s, robots en drones gebruiken veel energie vergeleken met smartphones, maar er is vaak wel ruimte voor een batterij. Bij hele kleine apparatuur, zoals sensoren, is het lastiger om batterijen te integreren. Bovendien vragen batterijen onderhoud en kunnen ze na enkele jaren of bij extreme omstandigheden stuk gaan. Daarom wordt gewerkt aan technieken waarmee sensoren voortdurend de nodige energie uit de omgeving kunnen halen – in plaats van een batterij nodig te hebben. Dit wordt ook wel energy harvesting (het ‘oogsten’ van energie) of energy scavenging (‘restanten verzamelen’) genoemd. Het Delftse bedrijfje Nowi is een van de eerste die met apparatuur op de markt komt.
Een draadloze sensor kan bijvoorbeeld energie halen uit WiFi-signalen in de lucht
Een luchtkwaliteitssensor op de gevel van een kantoorgebouw kan bijvoorbeeld energie halen uit mobiele netwerken in de lucht: zoals WiFi-signalen of 4G. Deze zijn relatief energierijk maar worden ook door anderen gebruikt om data over te sturen. Daarnaast wordt gewerkt aan technieken om energie te halen uit warmte, uit zonlicht, uit chemische reacties en uit trillingen. Dezelfde technieken kunnen later weer bruikbaar zijn voor elektrische auto’s en smartphones.
Door sensoren zelfvoorzienend te maken kunnen ze gemakkelijk overal worden geïnstalleerd zonder dat ze onderhoud nodig hebben of zonder dat er een stroomdraadje of iets anders aangelegd hoeft te worden. Dit kan een enorme impuls gaven aan het gebruik van sensornetwerken waarmee de luchtkwaliteit van steden, het vroegtijdig detecteren van aardbevingen of dijkdoorbraken mogelijk wordt. Ook zelfrijdende voertuigen hebben sensornetwerken nodig om voldoende informatie te verkrijgen over de omgeving waarin ze rijden.
Zo zal het draadloos opladen ons niet alleen ‘ontzorgen’ en meer comfort geven, maar er ook voor zorgen dat de wereld van intelligente, met internet verbonden apparaten -van groot tot klein-, ofwel het Internet der Dingen, verder door kan breken. Tegelijkertijd ontstaan er nieuwe mogelijkheden om energie direct te distribueren als alternatief voor energieopslag en energietransport.
Wisdom of the crowd 