Energy Harvesting Die batterielose Funktechnologie hat sich schnell durchgesetzt

Obwohl die Energiegewinnung aus Temperaturdifferenzen, mechanischen Bewegungen oder fluktuierenden elektrischen Feldern recht gut funktioniert, steht der Markt der Energy-Harvesting-Systeme noch am Anfang. Die »Elektronik« sprach mit Frank Schmidt, Chief Technology Officer und Mitgründer von EnOcean, über die Gründe.

Elektronik: Herr Schmidt, das wohl erste Beispiel für ein funktionierendes Energy-Harvesting-System ist die Atmos-Uhr von Jean-Léon Reutter aus dem Jahr 1928, die die Schwankungen des Luftdrucks für den Antrieb nutzt. Besitzen Sie als Energy-Harvesting-Experte eine Atmos?

Frank Schmidt: Genau genommen sind es sogar Temperaturschwankungen, die den nötigen Luftdruck erzeugen, um die Gangreserve der Atmos aufzuladen. Diese Uhr ist wirklich ein hervorragendes, anschauliches Beispiel für Energy Harvesting. Und natürlich bin ich ein Fan dieses Meisterwerks, besitze aber kein eigenes Exemplar. Ich beschränke mich da auf eine mechanische Armbanduhr.

Elektronik: Mehrere Halbleiterhersteller bieten für ihre Energy-Harvesting-ICs mittlerweile Referenzdesigns und Evaluation Boards für die Entwicklungsunterstützung an. Steht der Markt für Energy Harvesting noch am Anfang der Entwicklung?

Schmidt: Nicht unbedingt. Selbst bei bereits sehr etablierten Märkten, wie beispielsweise die der Microcontroller, gibt es nach wie vor Referenz-designs und Kits. Entwicklungs-Kits sind in der Regel weniger ein Zeichen für unreife Produkte als vielmehr für eine komplexere Produktintegration. Das gilt auch für Energy Harvesting, denn der Einsatz der Energiewandler hat spezifische Anforderungen. Tatsächlich steht der Energy-Harvesting-Markt aber auch noch am Anfang. Wir erwarten hier in den kommenden Jahren zahlreiche weitere Innovationen und neue Entwicklungen.

Elektronik: Nach einer Prognose des Marktforschungsinstituts IDTechEx  sollen die Umsätze ab 2015 binnen fünf Jahren um mehr als das Vierfache steigen. Warum kommt der Anstieg so spät?

Schmidt: Normalerweise setzen sich Innovationen immer erst langsam durch. Nehmen wir wieder das Beispiel der Mikrocontroller: Den ersten Transistor gab es bereits 1925. Bis der erste Mikrocontroller Mitte der 1970er auf den Markt kam, sind jedoch 50 Jahre vergangen. Im Vergleich hat sich die Innovation Energy Harvesting sehr -rasant entwickelt. EnOcean hat sein erstes Patent 1997 angemeldet, bereits 2003 haben wir die ersten serienreifen Produkte auf den Markt gebracht.

Vor allem im Gebäude hat sich die batterielose Funktechnologie rasch durchgesetzt. Lange Zeit gab es hier so gut wie keine Neuerungen. Und plötzlich, innerhalb von nur fünf Jahren, kamen kabel- und batterielose Lichtschalter zum Einsatz. Innovation ist letztendlich vor allem ein sozialer Prozess. Die Nutzer müssen sie annehmen, die Vorteile und die Funktion erkennen. Zusammen mit einer einfachen und sinnvollen Handhabung setzt sich eine Innovation dann beim Anwender durch. Genau das hat die batterielose Funktechnologie innerhalb weniger Jahre geschafft.

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Energy-Harvesting-Technik von EnOcean

Energy-Harvesting-Technik von EnOcean

Elektronik: Viele Anbieter von Energy-Harvesting-Produkten orientieren sich laut IDTechEx-Studie „am Machbaren und nicht an dem, was die Anwender brauchen“. Was brauchen Ihrer Meinung nach die Anwender?

Schmidt: Wenn wir vom Endanwender sprechen, dann sind die Anforderungen klar: Die Lösung muss einen klaren Mehrwert bieten. Im Fall der Gebäudeautomation zum Beispiel sind das mehr Komfort, eine erhöhte Sicherheit, Flexibilität und Energieeinsparungen. Für EnOcean sind Anwender aber auch die Produkthersteller, die unsere batterielose Funktechnologie integrieren.

Hier haben wir von Anfang an auf eine intensive Kommunikation mit unseren Kunden gesetzt. Für diese -Anwender ist es in erster Linie wichtig, dass sie Energy Harvesting schnell bei ihren Produkten einsetzen und bestehende Technologien ablösen können. Durch den engen Austausch mit den Produktherstellern haben wir schnell die notwendigen Stellschrauben gefunden, um die Integrationshürde klein zu halten. Das ist auch ein Grund dafür, dass EnOcean derzeit der einzige Anbieter auf dem Energy-Harvesting-Markt ist, der große Stückzahlen anbietet und verkauft.

Elektronik: Werden Sie Ihr in der Installationstechnik erworbenes Know-how künftig auch für andere Bereiche anwenden, etwa in der Konsumelektronik?

Schmidt: Schon heute hat die batterielose Funktechnologie in anderen Bereichen Fuß gefasst. Im Konsumenten-Umfeld sind Smart-Home-Lösungen mit batterieloser Funktechnologie stark im Kommen. Ein Beispiel dafür ist das System „Joonior“ von Telefunken Smart Building. Aber auch in der Medizin, beziehungsweise für selbstbestimmtes Leben im Alter, hält die En-Ocean-Technologie Einzug.

Es gibt auf dem Markt beispielsweise die intelligente Matratze der Firma IQfy. Diese registriert über einen integrierten batterielosen Bewegungssensor, ob sich beispielsweise ein Patient im Bett befindet, und steuert automatisch Licht oder Heizung anhand der Anwesenheit. Zudem kann die Matratze auch Teil eines Notfallsystems sein, indem sie beispielsweise ungewöhnlich geringe Bewegungen eines Patienten an das Pflegepersonal meldet. Darüber hinaus bauen wir die technischen Anwendungsgebiete für die batterielose Funktechnologie auch im Rahmen verschiedener staatlich geförderter Forschungsprojekte aus. Das reicht von der Überwachung von Brücken oder Tunnel über medizintechnische Lösungen, die Körperwärme als Energiequelle nutzen, bis hin zu M2M-Systemen.

Hier gibt es übrigens bereits eine Lösung, die vor allem in der Lebensmittelindustrie zum Einsatz kommt: die intelligente Mausefalle. Dabei löst die Maus selbst durch ihre Bewegungen in der Falle über unseren mechanischen Energiewandler ein EnOcean-Funksignal aus. Dieses geht an ein Gateway, das wiederum an den zuständigen Kontrolleur eine SMS oder E-Mail aufs Smartphone schickt. Damit meldet die Maus quasi selbst, wann sie in welche Falle gegangen ist.

Elektronik: Welches Verfahren oder welche Kombination zur Gewinnung von Energie aus der Umgebung sehen Sie als vielversprechend an?

Schmidt: Der ursprüngliche Start war der piezoelektrische Wandler. Seit 2005 haben wir diesen durch das elektromagnetische Wandlerprinzip ersetzt, das über eine Magnetspule die Energie des Tastendrucks in elektrische Energie wandelt. Damit konnten wir ein universelles Schaltermodul umsetzen, das in viele verschiedene Schalterdesigns passt. Entsprechend vielfältig ist heute das Angebot an Lichtschaltern mit batterieloser Funktechnologie. Der ECO 200 ist bereits die dritte Generation unseres mechanischen Bewegungswandlers.

Neben Bewegung hat EnOcean aber noch zwei weitere Energiequellen für die batterielose Funktechnologie erschlossen und entsprechende Komponenten dafür entwickelt: Licht und Temperatur. EnOcean-Funkmodule können mit Hilfe von miniaturisierten Solarmodulen selbst geringe Lichtstärken in einem Raum als Energiequelle nutzen. Als drittes Energy-Harvesting-Element können Thermowandler Temperaturunterschiede ab etwa  2 °C, zum Beispiel am Heizkörper, als Stromversorgung bereitstellen. Das ermöglicht bereits heute vollkommen energieautarke Heizkörperstellventile.

In Forschungsprojekten beschäftigen wir uns mit weiteren Verfahren. Dazu gehört die Energiegewinnung aus strömenden Medien wie Gas oder Wasser, genauso wie aus mechanischer Vibration.