Die Evolution der Technologie zur Energiegewinnung

Die Möglichkeit der Energiegewinnung aus der Umgebung eröffnet im Bereich von IoT und Wearables zunehmende Entwicklungschancen.

Die Gewinnung von Energie aus der Umgebung zur Stromversorgung von Sensoren und elektronischen Schaltungen ist seit vielen Jahren der „heilige Gral“ für Systementwickler. Mit dem Aufkommen des IoT und von Smart Home bietet die Möglichkeit, Sensoren und Aktuatoren an beliebigen Stellen anzuordnen, ohne Sorge über Stromversorgung und Datenverbindungen , erheblich mehr Flexibilität.

Obwohl dies bereits mit batteriegestützten drahtlosen Sensorknoten möglich war, wird durch die Umwandlung von  Sonnen-, Wärme- oder sogar Vibrations- oder HF-Energie die Betriebszeit des Knotens ohne Batteriewechsel verlängert. In Systemen mit Tausenden von Knoten ist dies eine wichtige Anforderung. Durch eine entsprechende Auslegung des Stromversorgungssystems kann der Batterie-Austauschzyklus verlängert werden oder sogar wegfallen und die Betriebskosten erheblich verringert werden.

In den letzten Jahren ist die Energiegewinnung aufgrund mehrerer Faktoren zu einer praktikablen Lösung geworden. Dank des Mooreschen Gesetzes und der Fortschritte der Halbleiter-Prozesstechnologie sind die Stromversorgungsanforderungen von Sensoren, Mikrocontrollern und drahtlosen Transceivern gesunken. Die neuesten Geräte wie (786-3205) STM320-Transceiver von EnOcean sind so ausgelegt, dass der Strombedarf im µA-Bereich liegt und die für Smart Home erforderliche Leistung bzw. die entsprechenden Datenverbindungen dennoch sichergestellt werden. Dadurch reicht z.B. bei Solarmodulen die Raumbeleuchtung aus, um ausreichend Energie zu liefern.  

Bild – Der Leopard Gecko von Silicon Labs in einem Fitness Tracker mit geringem Energiebedarf

Auch der Wirkungsgrad der Energiequellen ist verbessert worden. Die neuesten Solarmodule haben einen Wirkungsgrad von 15 bis 20 %, sodass mehr Energie für die lokale Verarbeitung,  Sensoren oder für  drahtlose Knoten mit Entwicklungskits, z.B. von (757-0095) Silicon Labs zur Verfügung steht.

Die Energiegewinnung aus Temperaturunterschieden ist im Laufe der Jahre ebenfalls verbessert worden. Das ist besonders für Sensoren und Aktuatoren an Heizelementen und Heizkörpern nützlich, die mit   intelligenten Thermostaten, wie denen der Firma Nest, verknüpft sind. Da die Dünnfilm-Technologie kostengünstiger geworden ist, kommt sie für die Herstellung von Energiegewinnungskomponenten zur Anwendung, die den Peltier-Effekt nutzen. Diese können inzwischen Temperaturunterschiede von wenigen Grad nutzen, um Temperatursensoren und Aktuatoren mit Strom zu versorgen.

Bild – Energiegewinnungs-Referenzkit von Silicon Labs

Ein weiterer Faktor, der die Einführung dieser Technologien erleichtert hat, ist die Verbesserung der Energie-Verwaltungsbausteine.  Anlagen zur Energiegewinnung liefern eine Mischung aus sehr geringen Energiepegeln und starken Energieschüben. Viele herkömmliche Energieverwaltungs-Chips können das nicht bewältigen. Eine neue Chip-Generation  kann die niedrigen Ströme und großen Energiezufuhrschwankungen verarbeiten und außerdem das Batterie-Subsystem verwalten.

Die Verbesserung der Standards und der  Kompatibilität von Drahtlosverbindungen mit sehr geringer Leistungsaufnahme fördert ebenfalls die Einführung und Entwicklung von Energiegewinnungs-Ausrüstung. Die EnOcean Alliance besteht inzwischen aus mehr als 350 Unternehmen, die alle Arten von Ausrüstung zur Energiegewinnung anbieten. Das reicht von kinetischen Quellen für Schalter mit Piezokristallen zur Generierung eines kurzen Energiestoßes zum Senden eines Signals, bis zu solarbetriebenen Näherungs- und Präsenzsensoren und thermisch betriebenen Heizungs- und Fenstersteuerungen. Die Installation derartiger Systeme mit Selbstspeisung  amortisiert sich innerhalb weniger Monate. Die erfassten Daten können in der Cloud analysiert werden, um den Betrieb von Gebäuden beliebiger Größe weiter zu optimieren. Die EnOcean Alliance nutzt dafür ein Drahtlosprotokoll, das die verschiedenen Geräte verbindet und als offener Standard freigegeben worden ist.

Energiegewinnungsanwendungen der EnOcean Alliance

Daneben gibt es weitere Zusammenschlüsse und Branchengruppen, insbesondere im Bereich der Gebäudeautomatisierung, die Technologien zur Energiegewinnung nutzen und sicherstellen wollen, dass Produkte verschiedener Hersteller zusammenarbeiten. Open Protocol-Gruppen wie Thread und Alljoyn verfolgen zudem das Ziel, eine offene Umgebung bereitzustellen, damit intelligente Geräte einfach und sicher vernetzt werden können.

Die Energiegewinnung wird darüber hinaus auch persönlicher. Mit zunehmender Popularität von Wearable-Systemen wie Smart Watches wird die Entwicklung von Personal Area Networks (PANs)  am Körper zunehmend vorangetrieben. Diese können aus der Wärme oder den Bewegungen des Körpers Energie produzieren, z.B. mit Piezokristallen in Schuhen oder auch in der Kleidung. Forscher haben nachgewiesen, dass Metallfasern so zu Stoff verwoben werden können, dass durch die Bewegung der entsprechenden Person Energie generiert wird. Diese kann dann für Sensoren am Körper, zum Laden persönlicher Elektronik wie Uhren und Telefonen oder auch für die Stromversorgung von LEDs genutzt werden, die in die Kleidung eingenäht,  ihre Farbe ändern oder Nachrichten  senden. 

Durch das Verringern bzw. Wegfallen der Notwendigkeit, Batterien zu laden, eröffnen Technologien zur Energiegewinnung  neue Designbereiche. Von intelligenten Sensoren und Aktuatoren, die überall angebracht werden können, bis zur Stromerzeugung durch das Laufen oder die Kleidung ergeben sich Möglichkeiten für Entwickler, an Stellen Energie zu erzeugen und Intelligenz zu integrieren, an denen das bisher undenkbar war.