Analyse der Patentlandschaft zur drahtlosen Energieübertragung: Der nächste Schritt zur Elektrifizierung unseres Lebens?

Von stromsparenden Unterhaltungselektronikgeräten bis hin zu kleinen implantierten medizinischen Geräten bietet die drahtlose Stromübertragung über kurze Distanzen bereits erhebliche und sehr nützliche Vorteile, da keine Kabel erforderlich sind. Unsere Analyse der Patentlandschaft zeigt jedoch eine mögliche Zukunft für die Technologie, die unsere Nutzung von Elektrizität für immer revolutionieren könnte, wie Nicolas Nowak, Senior Consultant und Leiter der Chemistry , erklärt

In den letzten Jahrzehnten sind Energie und Daten zu einem entscheidenden Bestandteil unseres Alltags geworden. So wie sich unsere Nutzung und Abhängigkeit von elektronischen Geräten weiterentwickelt hat, hat sich auch die Technologie weiterentwickelt. Daten werden zunehmend nicht mehr „kabelgebunden“, sondern „drahtlos“ übertragen, was den Zugang zu Informationen demokratisiert. Was wäre, wenn wir dasselbe mit dem Zugang zu Energie tun könnten?

Was ist drahtlose Energieübertragung?

Die drahtlose Energieübertragung, auch als drahtlose Energie(übertragung) oder drahtloser Energietransfer (WPT) bezeichnet, ist eine Technologie, die die Übertragung elektrischer Energie von einer Stromquelle zu einem elektrischen Gerät ermöglicht, ohne dass physische Anschlüsse oder Kabel erforderlich sind.

Heute wird diese Technologie vor allem zum Laden von Smartphones und elektrischen Zahnbürsten sowie einiger implantierter medizinischer Geräte und, in geringerem Umfang, einiger Elektrofahrzeuge (EVs) eingesetzt.

Wie funktioniert die drahtlose Energieübertragung?

• In der Theorie:

Das kabellose Laden basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion und nutzt die wunderbaren Eigenschaften elektromagnetischer Wellen.

Wie wir schon im Physikunterricht gelernt haben, addieren sich zwei Wellen mit gleicher Frequenz, die gleichzeitig auf und ab gehen, wenn sie an einem bestimmten Punkt im Raum zusammentreffen, und erzeugen aufgrund konstruktiver Interferenz eine doppelt so hohe Welle mit vierfacher Energie. Treffen dieselben Wellen jedoch an einer anderen Stelle im Raum zusammen und eine davon läuft um eine halbe Periode zu spät, heben sie sich gegenseitig auf, sodass aufgrund destruktiver Interferenz kein Signal entsteht. Dies funktioniert für alle Arten von Wellen: Lichtwellen, Schallwellen (das ist das Prinzip der geräuschunterdrückenden Kopfhörer) oder Radiofrequenzwellen zum Beispiel.

Das Verständnis dieses Konzepts ist für die drahtlose Energieübertragung wichtig: Wenn an einem bestimmten Punkt zwei Wellen erzeugt werden, breiten sie sich aus und verhalten sich wie in Abbildung 2 dargestellt, wobei es an einigen Punkten im Raum zu destruktiven Interferenzen (keine Energie) und an anderen zu konstruktiven Interferenzen (mit mehr Energie) kommt. Die Anzahl und Intensität dieser Interferenzen hängt dabei von der Entfernung zwischen den Erzeugungspunkten und dem Zeitunterschied zwischen ihrer Erzeugung ab.

Von dort aus ist es möglich, die Wellen in eine Richtung zu lenken, indem man weitere Wellen erzeugt und sie zeitlich perfekt synchronisiert . Was dann passiert, ist, dass die meiste Energie geradeaus nach unten fließt. Von dort aus kann man, wenn man das Timing ändert, die Richtung wählen und ändern, in die die Wellen mit konstruktiven Interferenzen gehen, wie in Abbildung 3 dargestellt. Diese Richtungsänderung kann rein durch die Kontrolle des Timings gesteuert werden, also ohne mechanische Bewegung.

Aber das ist noch nicht alles! Die Steuerung des Zeitpunkts der Wellenerzeugung bietet noch eine weitere nützliche Funktion; sie kann dabei helfen, mehr Energie an einen Punkt im Raum Ihrer Wahl zu senden. Durch die Perfektionierung dieser Funktion können fast 90 % der Energie an diesen spezifischen Brennpunkt gesendet werden , was ihn zu einer Art Energielupe macht. Diese resonante induktive Kopplung kann die Grundlage für große Verbesserungen bei der drahtlosen Energieübertragung sein.

• In der Praxis:

In der Praxis ist für die drahtlose Energieübertragung lediglich eine Induktionsspule zum Senden erforderlich, um die elektromagnetischen Wellen in einer Ladestation zu erzeugen, und eine Induktionsspule zum Empfangen im Zielgerät, um die Energie aus dem elektromagnetischen Feld in elektrischen Strom umzuwandeln, der die Batterie lädt oder das Gerät mit Strom versorgt. Damit das drahtlose Laden heute effizient funktioniert, müssen die Sende- und die Empfangsspule nahe beieinander liegen und richtig ausgerichtet sein. Mit dem zuvor vorgestellten resonanten induktiven Kopplungssystem können jedoch größere Abstände zwischen den Sende- und Empfangsspulen erreicht werden.

Mögliche zukünftige Entwicklungen der kabellosen Ladetechnologie

Da es sich beim kabellosen Laden um eine relativ neue Technologie handelt, werden viele verschiedene Entwicklungen durchlaufen, die voraussichtlich zu weiteren Durchbrüchen und Fortschritten in diesem Bereich führen werden. Die wichtigsten Herausforderungen in Forschung und Entwicklung (F&E) wären derzeit:

• Mehrere Geräte laden : In Zukunft werden kabellose Ladesysteme die Möglichkeit haben, mehrere Geräte gleichzeitig zu laden, ohne dass für jedes Gerät ein separates Ladegerät benötigt wird. Dies erhöht den Komfort beim Laden mehrerer Geräte, wie z. B. Smart-Home-Geräte, Elektrofahrzeuge und Mobilgeräte.
• Verbessern Sie Ladegeschwindigkeit und Leistungsabgabe: Dadurch können Benutzer ihre Geräte, darunter Smartphones, Elektrofahrzeuge und andere elektronische Geräte, schneller aufladen.
• Elektrofahrzeuge zuverlässig aufladen : Das Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge wird weitere Fortschritte in diesen Bereichen vorantreiben, wobei möglicherweise drahtlose Systeme in Straßen, Parkplätze und private Garagen integriert werden könnten;
• Resonanzladung nutzen : Die Technologie zur drahtlosen Energieübertragung wird sich weiterentwickeln und das Laden über sehr große Entfernungen und eine höhere Flexibilität ermöglichen, ohne dass eine präzise Ausrichtung mit Ladepads erforderlich ist. Ein weiteres Ziel wäre jedoch die Energieübertragung über extrem große Entfernungen, wie bei weltraumgestützten Solarstromsystemen, die Strom zur Erde leiten.

Wenn dieser letzte Entwicklungsbereich erfolgreich ist, könnte er die Stromversorgungskette weltweit verändern, indem er Strom im Weltraum erzeugt! Solarmodule könnten ihre Effizienz im Vergleich zu den besten Orten der Erde dank der Abwesenheit von Atmosphäre, Nacht oder Wolken um das Vierfache steigern. Die drahtlose Stromübertragung über große Entfernungen muss jedoch noch erheblich verbessert werden. Obwohl ein Forscherteam im Jahr 2021 1,6 kW elektrische Leistung über eine Entfernung von 1 km mit einer Mikrowellen-zu-Strom-Umwandlungseffizienz von 73 % gesendet hat , müssen weitere Tests mit Mikrowellen niedrigerer Frequenz durchgeführt werden, bei denen im Weltraum und über größere Entfernungen viel weniger atmosphärische Verluste auftreten würden.

Ein wichtiger Aspekt dieser potenziell bahnbrechenden Technologie ist ihre wirtschaftliche Analyse. Basierend auf einer Schätzung, dass die Entwicklung und Einführung eines vollwertigen Solarsystems 16,3 Milliarden Pfund kosten würde, und unter Berücksichtigung einer jährlichen Mindestrendite von 20 Prozent, kam man zu dem Schluss, dass ein weltraumgestütztes Solarstromsystem während seiner etwa 100-jährigen Lebensdauer Energie für 50 Pfund pro MWh erzeugen könnte, was ungefähr den Stromkosten entspricht, die wir heute in Europa haben.

Es gibt jedoch noch viele Herausforderungen, die es zu lösen gilt. Zunächst muss die Energieeffizienz bei jeder Art von Übertragung hoher Leistung deutlich verbessert werden, um Energieverschwendung und Wärmeentwicklung zu minimieren. Dann müssen Sicherheitsbedenken berücksichtigt werden. Es ist wichtig, dass drahtlose Energieübertragungsmethoden sowohl für Geräte als auch für Menschen sicher sind. Diese Bedenken gelten für Anwendungen mit niedriger und hoher Leistung, aber für den alltäglichen Gebrauch muss ein weiterer Aspekt berücksichtigt werden: die Standardisierung von Materialien und Systemen, um Kompatibilitätsprobleme zu vermeiden.

Patentlandschaftsanalyse zur drahtlosen Energieübertragung

Die Analyse von Patentanmeldungen bietet wertvolle Einblicke in Innovationen und hilft uns unter anderem dabei, die Zukunft der Technologie vorherzusagen. In diesem Teil werde ich erläutern, was uns Patentanmeldungen für Innovationen im Bereich des kabellosen Ladens über die nächste Generation dieser Technologie verraten können, einschließlich der wichtigsten Branchenakteure und wichtigsten F&E-Märkte hinter dieser innovativen Lösung.

Was sagt uns die Patentdynamik über den Innovationsstatus dieser Technologie?

Um die Innovations- und F&E-Aktivitäten in dieser Technologie zu verstehen, haben wir mithilfe unserer proprietären IP-Intelligence-Software eine Makrosuche durchgeführt. Durch die Analyse der gesammelten Patente mithilfe unserer Expertise im Bereich IP-Beratung konnten wir einen faszinierenden globalen Einblick in den Forschungsfortschritt und die Investitionen in diesem Bereich schaffen.

Insgesamt umfasst die Datenbank etwas mehr als 50.000 Patentfamilien, die in den letzten 20 Jahren angemeldet wurden. Die Dynamik der Patentanmeldungen zeigt eine exponentiell wachsende Technologie, für die vor 20 Jahren nur etwas mehr als 200 Patente pro Jahr angemeldet wurden, im Jahr 2021 jedoch über 5.000, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 20 % entspricht. Doch die Dynamik scheint sich in den letzten Jahren zu verlangsamen, da die CAGR von 2019 bis 2021 nur noch bei 1 % liegt, verglichen mit der Expansionsphase von 2009 bis 2018, die eine CAGR von fast 28 % aufwies.

Geografische Hotspots für Innovationen beim kabellosen Laden

Die vorrangige Länderanmeldung erfolgt am häufigsten in dem Land, in dem die Forschung und Entwicklung durchgeführt wird. Ein Blick auf diese Daten zeigt uns also, welche Länder am innovativsten sind und welche ihre Erfindungen schützen wollen. Wie so oft wird China mit etwa 45 % der Gesamtzahl der Patentfamilien als wichtigstes Ursprungsland dieser Erfindungen zum kabellosen Laden identifiziert.

Die USA belegen mit 22 % der Patentfamilien einen soliden zweiten Platz und zeigen damit, wie widerstandsfähig das Land ist, in hochtechnischen Bereichen weitere Innovationen hervorzubringen. Es folgen koreanische und japanische Unternehmen, in denen rund 10 % der Patente zuerst angemeldet wurden. Der europäische Beitrag zu Forschungsaktivitäten ist im Vergleich zu denen in Asien und den USA noch immer gering und wird hauptsächlich von Deutschland und Großbritannien angeführt.

Die folgende Grafik zeigt die Entwicklung der Patentanmeldungen der wichtigsten Akteure mit Ausnahme von China. Sie zeigt, dass die USA im ersten Jahrzehnt des Zeitraums bei der Anzahl der Patentanmeldungen einen deutlichen Vorsprung vor anderen Ländern hatten, dieser Vorsprung gegenüber anderen Ländern wie Japan und Korea jedoch abnahm und dass es im Jahr 2021 erstmals mehr koreanische Anmeldungen gab als die US-amerikanischen.

Marktabdeckung für kabellose Ladeinnovationen

Es ist keine Überraschung, dass die meisten Erfindungen in den wichtigsten Innovationsländern, nämlich China und den USA, veröffentlicht wurden. Europa klettert hier allerdings auf den dritten Platz, da der Kontinent bereits stark elektrifiziert ist und viele zukünftige Entwicklungen in Europa einen wichtigen entwickelten und reifen Markt finden können.

Drahtlose Energieübertragung: Patentdynamik und Top-Player

Zu den wichtigsten Innovatoren im Bereich des kabellosen Ladens zählen bedeutende Unternehmen aus der Elektronik- und Halbleiterindustrie. Toyota Motors ist der einzige Automobilhersteller unter den Top 50 Patentinhabern mit einem soliden Portfolio von über 500 Patentfamilien.

Der größte Patentinhaber ist Samsung, das über 1.800 Patentfamilien besitzt, von denen 1.600 noch aktiv sind, gefolgt von LG Corporation mit weniger als der Hälfte der Patente von Samsung. WiTricity ist ein innovativer Pure Player auf diesem Gebiet, der sich auf „zukunftssichere kabellose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge“ spezialisiert hat. Das Unternehmen verfügt in unserer Datenbank über 263 Patentfamilien, von denen 230 noch aktiv sind. Das Unternehmen hat den höchsten Anteil erteilter Patente, wobei 86 % des Portfolios erteilt sind.

Weitere wichtige Akteure sind Qualcomm, Apple, The State Grid Corporation of China (SGCC), Canon und Panasonic, die alle bereits große Unternehmen sind, die in das Feld einsteigen oder sich eine führende Position als sichtbarer Akteur in der Branche sichern. Die meisten dieser Unternehmen sind hauptsächlich im Bereich des Ladens mobiler Geräte aktiv, mit Ausnahme von SGCC, das Patente auf verschiedene Aspekte des kabellosen Ladens für eine Vielzahl von Anwendungen besitzt.

Die folgende Tabelle zeigt die Patentaktivität einiger der Hauptakteure in den letzten sechs Jahren. Ein Blick auf diese Aktivität gibt interessante Einblicke darüber, wer in den Bereich einsteigt oder ihn verlässt. In der folgenden Tabelle werden die Hauptakteure, die eine relativ normale Verteilung der Patentanmeldungen in Anbetracht der globalen Aktivität aufweisen (70 % in den letzten 10 Jahren und rund 40 % in den letzten sechs Jahren), wie etwa Samsung oder Toyota, nicht angezeigt.

Wenn wir uns auf Akteure konzentrieren, die in letzter Zeit sehr aktiv waren, fallen uns die kleinen chinesischen Elektronikunternehmen wie Oppo, Xiaomi, Huawei und Vivo Mobile auf. Alle vier haben in den letzten 10 Jahren mehr als 95 % ihres Portfolios und in den letzten sechs Jahren mehr als 80 % ihres Portfolios eingereicht. Dies zeigt den Wunsch dieser Unternehmen, innovativ zu sein und Produkte mit hohem Wert anzubieten, um mit den US-amerikanischen und koreanischen Mobilgeräteherstellern zu konkurrieren.

Zu den weiteren Neuzugängen, die in den letzten zehn Jahren mehr als 85 % ihres Portfolios ausgefüllt haben, gehören die kleinen Unternehmen WiTricity, WiTS, NuCurrent, Energous und AMOSENSE. Bei den meisten dieser neuen Akteure, nämlich Witricity, Energous und WiTS, ist die Aktivität in den letzten fünf Jahren jedoch zurückgegangen.

• NuCurrent entwickelt auf den Prinzipien der magnetischen Induktion und Magnetresonanz basierende Technologie zur drahtlosen Energieübertragung, die in der Unterhaltungselektronik, in tragbaren Geräten, in der Medizintechnik, in der Automobilindustrie, in der industriellen Automatisierung und in IoT-Geräten (Internet of Things) Anwendung findet.
• Energous ist ein führender Entwickler von drahtloser Lade- und Fernstromtechnologie. Seine WattUp-Plattform ermöglicht drahtloses Laden auf Radiofrequenzbasis (RF) für verschiedene Geräte, darunter Smartphones, Wearables und IoT-Geräte.
• AMOSENCE ist ein Unternehmen für Spezialmaterialien, das sein Fachwissen nutzt, um Komponenten für kabellose Ladegeräte zu entwickeln, darunter eine ultradünne magnetische Abschirmfolie und ein Antennenmodul für die kabellose Energieübertragung.
• WiTS, Inc. wurde im April 2019 nach der Übernahme des Geschäftsbereichs für drahtlose mobile Energieübertragung von Samsung Electro-Mechanics gegründet. Seitdem entwickelt das Unternehmen drahtlose Übertragungsempfängermodule mit Antennen für Smartphones, drahtlose Übertragungsmodule mit Antennen für drahtlose Ladepads, NFC-Chipantennen usw.

Wenn wir uns andere Arten von Unternehmen in dieser Tabelle ansehen, bemerken wir einige große Namen, die vor 10 Jahren aktiv waren, aber anscheinend kein Interesse mehr an dem Bereich haben. In diese Kategorie können wir Unternehmen wie Intel, Qualcomm, Robert Bosch und Panasonic einordnen.

Es ist interessant, die Strategie von Qualcomm zu beobachten, da unsere Software uns auch die Auswirkungen und die Anzahl der nicht auf eigene Initiative bezogenen Patente zeigen kann. Diese Zahlen sind sehr interessant, wenn man beispielsweise die Portfolios von Samsung und Qualcomm vergleicht.

Aus dieser Tabelle können wir ersehen, dass Qualcomm nur ein Drittel der erteilten Patente besitzt, die Samsung gehören, aber die Zahl der nicht selbst zitierten Patente ist bei dem US-Unternehmen höher als bei dem koreanischen. Dies wird in der oben rot dargestellten Spalte „durchschnittliche Patentstärke“ berücksichtigt, die eine durchschnittliche Stärke der Patentfamilien zeigt, die bei Qualcomm fast 50 % höher ist als bei Samsung. Wir könnten annehmen, dass Qualcomm nun seine Stärke nutzen und vielleicht sein Portfolio aufwerten möchte, anstatt weiterhin Patente anzumelden, deren jährliche Wartungskosten mehr als 1,4 Millionen US-Dollar betragen.

Wenn wir uns kurz die zuvor besprochenen Weltraumanwendungen ansehen, bemerken wir einige Patente des Teams des California Institute of Technology unter der Leitung von Pr. Ali Hajimiri, der einen sehr interessanten TED-Vortrag zu diesem Thema gehalten hat3. Dieses erteilte Patent bezieht sich auf ein groß angelegtes Solarkraftwerk, das im Weltraum eingesetzt werden soll und dessen erzeugter Strom über ein drahtloses Signal, beispielsweise Mikrowellenstrahlung oder Licht, zur Erde übertragen werden kann.

In unserer Datenbank mit mehr als 50.000 Patenten zur drahtlosen Energieübertragung gibt es nur 80 Patentfamilien, die sich auf weltraumgestützte Anwendungen konzentrieren, mit Patentanmeldungen von Rechtsnachfolgern wie der NASA, RTX, Astrium, Redwire Space und dem nicht mehr bestehenden Unternehmen Escape Dynamics.

Nicolas Nowak ist Senior Consultant für IP-Strategie und Innovation und Practice Leader des Chemistry . Mit einem Master-Abschluss in Analytischer Chemistry und Qualitätsmanagement sowie einem Doktortitel in Materialchemie verfügt Nicolas über mehr als 16 Jahre Erfahrung in anorganischer Chemie, Projektmanagement und Beratungstätigkeiten. Unter anderem arbeitete Nicolas für COLAS SA an glasbasierten Verbundwerkstoffen für Visualisierungs- und Sicherheitsanwendungen und für Johnson Matthey als leitender Wissenschaftler an neuen Gläsern und Metallisierungssilberpasten für Solarzellenanwendungen.