COMPASS MAGAZINE #10
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DRAHTLOSE ENERGIE FÜR DAS IOT Immer mehr mit dem Internet verbundene Geräte erfordern neue Wege der Energieerzeugung

Die zunehmende Zahl von internetfähigen Geräten mit Strom zu versorgen, ist nicht einfach – vor allem angesichts der Kosten, aber auch, weil es manchmal schlicht unmöglich ist, Geräte anzuschließen oder Batterien einzubauen. Neue Wege der Energiegewinnung versprechen, die Herausforderungen des „Internet of Things“ (IoT) zu meistern.

Stellen Sie sich vor, Sie können ein elektrisches Gerät mit der Energie einer Traube betreiben. Das mag absurd klingen – doch laut John Blyler, einem Gastprofessor für Systems Engineering an der Portland State University in Portland, Oregon, ist das schon heute möglich.

„Ein paar klitzekleine Trauben können Elektronik mit extrem niedrigem Stromverbrauch versorgen“, erklärt er. „Vor ein paar Jahren stellte Texas Instruments, ein globales Halbleiter-Unternehmen, eine mit Trauben betriebene Digitaluhr vor. Der 16-Bit Mikroprozessor der Uhr benötigte so wenig Energie, dass er mit ein paar Trauben lief. Die winzige Säuremenge in der Traube erzeugte zusammen mit einem Zink-Metall-Kontakt eine Batterie, mit der die Uhr lief.“

Die gleichen, auf pH-Wert basierenden chemischen Reaktionen, mit denen ein paar Trauben eine Digitaluhr antreiben können, sorgen auch dafür, dass Nutzpflanzen auf dem Feld einen kleinen Funkfrequenz-Kreis versorgen, der die Bodenbedingungen drahtlos an einen Computer des Landwirts übermittelt. „Und das ist erst der Anfang alternativer Energiequellen“, erklärt Blyler.

ENERGIE FÜR DAS INTERNET DER DINGE

Alternative Energiequellen für schwierig anzuschließende Geräte zu finden, hat bei den Forschern mittlerweile Priorität, hauptsächlich durch den Aufstieg des Internet of Things (IoT), auch als „Internet of Everything“ bekannt. Laut Cisco, einem weltweit führenden Anbieter von Netzwerktechnologie, wird die Welt bis 2020 10-mal so viele mit dem Internet verbundene Geräte wie verbundene Menschen haben – mehr als 5 Milliarden verbundene Menschen und 50 Milliarden verbundene Dinge.

„EIN PAAR KLITZEKLEINE TRAUBEN KÖNNEN ELEKTRONIK MIT EXTREM NIEDRIGEM STROMVERBRAUCH VERSORGEN. DAS IST ERST DER ANFANG, WIE DIE ENERGIEERNTE ALTERNATIVE ENERGIEQUELLEN LIEFERT.“

JOHN BLYLER GASTPROFESSOR FÜR ANLAGENTECHNIK, PORTLAND STATE UNIVERSITY

„Während wir uns zu einer Welt entwickeln, die mit einer Masse von IoT-Geräten um uns herum angefüllt ist, werden die Mittel, um diese Geräte zu betreiben, zu einem riesigen Problem“, meint Vamsi Talla, Doktorand der Elektrotechnik an der University of Washington in Seattle. „Stellen Sie sich einen Raum vor, der mit Hunderten, wenn nicht sogar Tausenden von Sensoren gefüllt ist. Das Tolle an diesen Sensoren ist, dass sie eine Vielzahl von Anwendungen erleichtern können – ein intelligentes Zuhause oder eine intelligente Stadt kreieren, die Bodentemperatur auf dem Feld eines Landwirts überwachen, den Warenfluss und -stand in einem Produktionswerk kontrollieren – die Möglichkeiten sind endlos.“

Allerdings ist die Energieversorgung für diese unzähligen Sensoren laut Talla eine Herausforderung. „Kabel sind unpraktisch und Batterien müssen ständig ersetzt werden, bringen zusätzliche Kosten, brauchen mehr Platz und haben mehr Gewicht. Ein großer Hemmschuh. Wenn wir also Batterien überflüssig machen und Geräte stattdessen mit geernteter Energie versorgen können, werden IoT-Geräte von der Masse angenommen und genutzt. So wird der Traum vom IoT wahr.“

50 Milliarden

Cisco prognostiziert, dass es bis 2020 weltweit mehr als 50 Milliarden verbundene Dinge geben wird.

Derzeit gibt es für autarke Geräte drei wesentliche Energiequellen. „Das sind kinetische Energie – bei der eine seitliche Bewegung, Rotation oder Vibration elektrische Energie durch den Einsatz von elektromagnetischen oder piezoelektrischen Sammlern generieren kann“, erklärt Matthias Kassner, Direktor für Produktmarketing bei EnOcean, einem Unternehmen in der Nähe von München, das patentierte, batterielose Funktechnik entwickelt. „Wärmeenergie – Temperaturunterschiede auf engem Raum – kann in elektrische Energie umgewandelt werden. Und (die dritte sind) Umgebungsenergiequellen wie Licht, elektromagnetische Wellen ebenso wie chemische und bioelektrische Systeme.“

ENERGIE DURCH VIBRATIONEN

Forscher haben in allen drei Bereichen große Fortschritte gemacht. Bei der kinetischen Energie hat Perpetuum aus Southampton, UK, ein führendes Unternehmen im Bereich der Energieernte aus Vibrationen, eine Technologie entwickelt, um Vibrationen in elektrische Energie umzuwandeln, die autonome, wartungsfreie industrielle drahtlose Sensorknoten kontinuierlich versorgt. Diese Sensorknoten kommen in Zügen zum Einsatz, um den Zustand der Lager zu überwachen – eine Aufgabe, die sonst manuell erledigt wurde.

„Heute gibt es überall auf der Welt ganze Flotten von Zügen, die die mit Vibrationsenergie betriebenen Sensoren von Perpetuum nutzen”, sagt Roy Freeland, Firmenchef, der auch Vorsitzender des Energy Harvesting Steering Committee von Innovate UK und Mitglied des ZEROPOWER Scientific Advisory Committee der Europäischen Union ist. „Ich kann im Urlaub mein Smartphone zücken und in Echtzeit den Zustand der Lager am Zug um 10.37 Uhr von London nach Brighton prüfen. Ein tolles Beispiel für die großformatige IoT-Anwendung der Energieernte.“

„WENN WIR BATTERIEN ÜBERFLÜSSIG MACHEN UND GERÄTE STATTDESSEN MIT GEERNTETER ENERGIE VERSORGEN KÖNNEN, WERDEN IOT-GERÄTE VON DER MASSE ANGENOMMEN UND GENUTZT. SO WIRD DER TRAUM VOM IOT WAHR.“

VAMSI TALLA DOKTORAND DER ELEKTROTECHNIK, UNIVERSITY OF WASHINGTON

Vibrationssensoren werden auch verbreitet in Prozessfertigungsanlagen eingesetzt. „Gas-, Chemie- und Kraftwerke, darunter auch Bently Nevada von GE, (plus) Emerson und Honeywell, nutzen die Energieernter von Vibrationen, um drahtlose Sensorsysteme in ihren Verarbeitungsanlagen zu versorgen“, erklärt Freeland. „Das bedeutet, dass die Zentrale den Status ihrer Anlage, egal wo diese sich befindet, komplett im Blick hat.“

GreenPeak Technologies, ein Anbieter von Funkkommunikationstechnologie für drahtlose Heimanwendungen mit Sitz in Utrecht, Niederlande, hat einen Lichtschalter entwickelt, der ohne Batterien funktioniert. „Schon das Drücken des Schalters erzeugt genug Energie, um ein Signal an die Lampe zu senden“, erklärt Cees Links, Gründer und CEO.

WÄRME- UND UMGEBUNGSENERGIE

Im Bereich der Wärmeenergie hat EnOcean eine Technologie entwickelt, die Sensorknoten durch geringe Temperaturschwankungen betreiben kann. Dieses Prinzip wird bereits von Landwirten genutzt, um Felddaten, darunter Temperatur, Feuchtigkeit, Bodenfeuchte, pH-Werte und Makronährstoffe, zu sammeln.

„Durch unsere Technologie gibt es jetzt selbstversorgende Heizungsventile, die die Wärme je nach Raumtemperatur und -belegung automatisch regulieren“, erklärt Kassner. „Das ermöglicht eine Senkung der Heizkosten – gewöhnlich der größte Anteil an Energiekosten in Privathaushalten – um ca. 20 bis 30% ohne jegliches Eingreifen des Nutzers.“

Zu Fortschritten bei der Ernte von Umgebungstemperatur gehört die an entfernte Geräte zu senden: mit einem modifizierten Router, der Geräusche sendet und eine konstante Energie beibehält, um die Versorgung zu gewährleisten. „Kürzlich hat unsere Gruppe gezeigt, dass Geräte bis zu einer Entfernung von rund 9 Metern um die Wi-Fi-Zugangspunkte funktionieren“, sagt Talla. „So konnten wir belegen, wie eine Überwachungskamera mit der auf diese Art geernteten Energie lief.“

Solarenergie ist eine weitere Form von Umgebungsenergie. Fujitsu in Kawasaki, Japan, hat beispielsweise ein solarbetriebenes Beacon entwickelt, das mit einer Stärke von nur 2,5 mm an kurvigen Oberflächen, Ecken und sogar Kleidung befestigt werden kann.

Zwei Techniker der Abteilung Elektrotechnik am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, Massachusetts, haben einen kleinformatigen Wandlerchip entwickelt, der bis zu 80% der Sonnenenergie zu Elektrizität machen kann. Dina El-Damak, Doktorandin und Anantha Chandrakasan, ihr Professor, weisen darauf hin, dass dies eine erhebliche Verbesserung gegenüber traditionellen Solarzellen sei, die bestenfalls die Hälfte der gesammelten Sonnenenergie in nutzbare Elektrizität umwandeln können.

DIE RICHTIGE PERSPEKTIVE

Das Potenzial der Energieernte ist vielversprechend. Experten warnen allerdings, dass es wichtig sei, realistisch zu bleiben, was das Ausmaß betrifft, wie diese Lösungen im tagtäglichen Leben eingesetzt werden könnten.

„Die größte Herausforderung dieser Techniken ist, dass sie nur extrem geringe Mengen Energie liefern“, sagt Hrishikesh Jayakumar, Doktorand an der Purdue University in West Lafayette, Indiana. „Mehr noch, die Leistung, die man von ihnen bekommt, ist dynamisch – es können kurze Stöße oder ein kontinuierliches Tröpfeln sein – genau das Gegenteil von dem, was eine Batterie liefert.“

Bisher seien Anwendungen auf Geräte beschränkt, die nur kleine Mengen an Energie benötigen, so Kassner. „Und nicht nur das, sie müssen äußerst effiziente Schlafmodi haben, sodass nur eine winzig kleine Menge an Energie verbraucht wird, wenn das System nicht aktiv ist“, ergänzt er. Freeland rät Verbrauchern, nicht alles zu glauben, was sie lesen. „Neulich habe ich in einem Artikel einer überregionalen Zeitung gelesen, dass unsere Handys zukünftig mit Energie aus Funkfrequenzsignalen der Umgebung funktionieren“, erzählt er. „Das ist Unsinn. Einiges der Forschung da draußen scheint die Grundgesetze der Physik zu umgehen. Wenn man Fortschritte in der Energieernte machen will, muss man realistisch sein. Es ist und bleibt eine Tatsache, dass man mit diesen Techniken nur sehr kleine Mengen an Energie gewinnen kann.“

Die Einschränkungen der Energieernte sind auch der Grund, warum GreenPeak seine Aufmerksamkeit neuen, effizienteren Formen der Batterieleistung widmet. „Wir haben drei Jahre damit verbracht, den Energieerntemarkt zu verfolgen“, erklärt Links. „Auch wenn es mehrere Bereiche mit großem Potenzial gibt, war es für uns einfach wirtschaftlich nicht machbar. Daher haben wir uns stattdessen entschlossen, eine kostengünstige Batterie mit extrem niedrigen Stromverbrauch zu entwickeln, die über 10 Jahre hält.“

ERNTEN FÜR DIE ZUKUNFT

Trotz Einschränkungen bieten die neuen Wege der Anwendung von geernteter Energie ein riesiges Potenzial, und die Branche boomt weiterhin. Laut Winter-Green Research, einem Analyse- und Marktforschungsunternehmen in Lexington, Massachusetts, wird der globale Energieerntemarkt – der 2012 noch 131,4 Millionen US-Dollar wert war – bis 2019 auf 4,2 Milliarden US-Dollar wachsen.

Ein Bereich, in dem ein Einsatz unvermeidbar scheint, ist der von intelligenten Städten. „Mehr als die Hälfte der wachsenden Weltbevölkerung lebt in Städten“, sagt Kassner. „Wir brauchen eine intelligente Kontrolle, um den Alltag der Menschen zu koordinieren und gleichzeitig Umwelt und Ressourcen zu schützen. Das Konzept einer intelligenten Stadt zielt darauf ab, eine automatisierte Kontrolle des Verkehrs, der Straßenbeleuchtung, der Stromversorgung oder des Transports von benötigten Waren wie auch der Müllentsorgung zu liefern. Dies kann nur mit Milliarden von drahtlosen Sensorknoten, die die benötigten Daten sammeln und bereitstellen, realisiert werden.“

Blyler prognostiziert: „Wir sehen bei einer Reihe von IoT-Anwendungen Fortschritte, von intelligenten Gebäuden, in denen die Energie lokal generiert und drahtlos übertragen werden kann, bis hin zum Aufladen einer Batterie für das Hörgerät. Wir sehen auch Fortschritte im Bereich der Wearables. Verbraucher sind nur wenig tolerant, was Geräte betrifft, die kontinuierlich aufgeladen werden müssen.“

„Insgesamt können wir uns auf eine äußerst spannende Zukunft freuen“, meint Kassner. „Wir rechnen mit einer Welle von Entwicklungen für IoTSensoren, so drastisch wie damals bei Computern und Mobiltelefonen.“ ◆

von Lindsay James Zurück zum Seitenbeginn