Smart-Metering Energy Harvesting: Wärme statt Batterie

Smart-Metering ist in aller Munde, und der wichtigste Schritt dorthin ist die Versorgung und Anbindung von Sensoren und Zählern. Sinnvollerweise sollten diese Vorrichtungen weder eine separate Stromleitung noch ausfallträchtige und umweltschädliche Batterien benötigen - ein Fall für »Energy Harvesting«.

Unter den verschiedenen Energieformen, die sich per Energy-Harvesting anzapfen lassen, nimmt Wärme eine besondere Rolle ein, denn fast überall lassen sich Temperaturgefälle - potenzielle Ernten - finden. Darüber hinaus ist Wärme ein unvermeidliches Nebenprodukt der meisten industriellen Vorgänge und muss gesondert abgeführt werden.

Letzteren Umstand nutzt Micropelt mit seiner konfigurierbaren Thermo-Harvesting-Gleichstromquelle, die als Batteriealternative dienen soll. Thermisches Energy-Harvesting beruht auf dem seit 1827 bekannten Seebeck-Effekt. Frei verfügbare Abwärme wird von thermoelektrischen Generatoren (TEG) in elektrische Energie gewandelt.

Der Leistungsbedarf der seit wenigen Jahren verfügbaren Ultra-Low-Power-Mikroelektronik passt zu den Mikro-TEGs. Funksensoren und Mikrosysteme können damit oftmals ohne Batterien arbeiten, zumindest aber deren Wartungszyklen enorm verlängern. »TE-Core« nennt Micropelt die wartungsfreie, autarke Energiequelle für ULP-Drahtlosapplikationen (Ultra Low Power), die elektrischen Strom aus Abwärme gewinnt.

Das thermoelektrische Energy-Harvesting-Modul soll Herstellern und Systemintegratoren drahtloser Sensoren und Mikroaktoren einen Weg hin zu unbegrenzt wartungsfrei arbeitenden Produkten ebnen. Es produziert elektrischen Strom, sobald es an einer Wärmequelle fixiert wird, die etwa 10 K Temperaturunterschied zur Umgebungsluft aufweist. Das Herz des TE-Core bildet ein neu entwickeltes SMD-TEG-Gehäuse, »TGP« genannt.

Darin befindet sich ein Chip-Thermogenerator, der zwischen einer kleinen Aluminiumplatte für die Wärmezufuhr und einer großen für die Wärmeabfuhr eingespannt ist (Bild 1). Dieses für die Massenfertigung konzipierte Bauteil bildet das Zentrum des thermischen Pfades. Das System kann eine Applikation unmittelbar mit einer festen Gleichspannung versorgen. Dazu wurde das TGP in einen ebenfalls neuen, kostenoptimierten Gleichstromwandler von Micropelt eingebettet.

Das komplette Thermo-Harvesting-Modul liefert Leistungen zwischen 150 µW und über 10 mW, je nach verfügbarem Temperaturunterschied. Durch eine integrierte Hysterese-Regelung lässt sich die Ausgangsspannung zwischen 1,9 V und 4,5 V einstellen. Um den Strombedarf einer Anwendung sicher abdecken zu können, verfügt das TE-Core über einen Kondensator-Erweiterungsanschluss.

Per Magnet lässt sich das etwa streichholzschachtelgroße Bauteil an warme Oberflächen setzen. Der Kühlkörper wurde zur besseren Leistungsanpassung des Harvesters einfach austauschbar gestaltet. Als Embedded-Modul lässt sich das System direkt in Prototypen und Kleinserienprodukte integrieren. Die Thermoelektrik-Chips stellt Micropelt mit Hilfe einer Dünnschicht-Fertigungstechnik auf Waferbasis her.

Die Miniaturisierung bringt extrem hohe Leis-tungsdichten und gut verwertbare Spannungen aus wenigen Quadratmillimetern Fläche. Die Fertigungstechnologie entspricht weitgehend der von integrierten Schaltungen und erlaubt demzufolge Skaleneffekte, die bei großen Stückzahlen zu stark sinkenden Stückkosten und Preisen führen. Im Laufe des Jahres 2012 will der Hersteller seine neue Waferfab in Halle an der Saale auf eine Kapazität von über 5 Millionen Thermogeneratoren und Mikrokühler hochfahren.

Der Markt für Volumenanwendungen ist groß, so können beispielsweise elektronische Heizkörperthermostate ihren Teil zur Smart-Metering-Infrastruktur bei-tragen. Mithilfe dieser Technik lassen sich Ventilregler fernsteuern, die völlig wartungsfrei und energieautark sind. Milliarden Batterien und zwischen 10 und 20 Prozent Heizenergie ließen sich dadurch potenziell einsparen.

Hochstromverteilung

Eine ganz andere Anwendung für thermoelektrische Generatoren ist die Zustandsüberwachung von Hochstromsystemen in Produktionsumgebungen. Die Verbindungen zwischen Elementen von Hochstrom-Bussystemen und auch die Anschlüsse an Stromschienen in Verteilerschränken unterliegen Montageungenauigkeiten, Korrosion und Betriebsbeanspruchungen.

Korrodierte oder lose gewordene Verbindungen und Anschlüsse führen stets zu verstärkter Erwärmung, bevor es durch Lastspitzen oder Schaltvorgänge zum fatalen Ausfall oder gar Brand kommt. Solche Ausfälle können eine ganze Produktion lahmlegen und Millionenschäden verursachen, bevor der Schaden behoben ist. Manuelle oder thermografische Prüfverfahren behindern jedoch meist die laufende Produktion, sie können nicht unter Volllast durchgeführt werden und lassen immer große zeitliche Lücken in der Überwachung.

Faseroptische Temperatursensoren bieten galvanische Isolation und sind daher in der Mittelspannung akzeptiert; für Niederspannungseinrichtungen sind sie aber meist zu teuer. Die Nachrüstung konventionell verdrahteter Sensorik scheidet aufgrund hoher Kosten und langer Stillstandszeiten in der Regel ebenfalls aus. Eine potenzielle Lösung ist die drahtlose Temperaturüberwachung per Funk. Ein Funksensor sollte klein und leicht und damit sowohl in Neuinstallationen als auch in der Nachrüstung schnell und einfach montierbar sein.

Normale Funklösungen werden jedoch mit Batterien versorgt, deren Austausch unweigerlich zu erneuten regelmäßigen Abschaltungen der elektrischen Einrichtungen und folglich zu Produktionsausfällen führt. Deshalb ist eine autarke Energiequelle nötig, die sich in einen kompakten, preiswerten Funksensor integrieren lässt.

Auch hier ist Thermo-Harvesting die Lösung, bei der die stets vorhandenen ohmschen Verluste zum Betrieb des Funksensors dienen.

Der Temperatursensor mit autarker thermoelektrischer Energieversorgung »TE-qNode« (Bild 2) gewinnt seine Betriebsenergie aus der Verlustwärme des überwachten Leiters und ist aus einer Kooperation zwischen Schneider Electric und Micropelt hervorgegangen. Das Gerät wird mit einem schnellen Handgriff auf die Stromschiene geklemmt, wo ihn eine auf die jeweilige Materialstärke einstellbare Kunststoffklammer dauerhaft in Position hält.

Wenn die Temperatur des Leiterabschnitts am Einbauort 5 K über der Umgebungstemperatur liegt, überträgt der qNode sekündlich die gemessenen Temperaturen. Zunächst nutzt der qNode Micropelts vereinfachtes Funkprotokoll, das ausschließlich für die Evaluation und zur Ermittlung von Energiebudgets sowie auf geringstmöglichen Energiebedarf hin entwickelt wurde. Echte Produktivlösungen werden jedoch auf Standard- oder proprietäre Hardware und Protokolle mit etwas höherem Energiebedarf setzen.