Energy Harvesting »Erntehelfer« im Vergleich

Mobile Systeme sollten möglichst wenig Strom aufnehmen. Im Vergleich zu den Fortschritten in der MCU-Technik ist die Akkutechnik bezüglich Kapazität und Baugröße jedoch immer noch nicht leistungsfähig genug. Somit sind effektive Stromsparmechanismen und ein intelligentes »Ernten« von Energie nötig.

von Klaus Dembowski, Wissenschaftler am Institut für Mikrosystemtechnik an der Technischen Universität Hamburg-Harburg.

Energiegewinnung aus der Umwelt und durch die Bewegung oder die Physiologie von Lebewesen wird unter dem Begriff »Energy Harvesting« geführt. Mithilfe der »geernteten« Energie arbeiten Systeme wie Sensorknoten oder »intelligente« Implantate autark und ohne Batterien, was genaugenommen einem Micro-Energy-Harvesting entspricht. Denn es sind nur verhältnismäßig geringe Energiemengen für den Betrieb nötig, zumal die Harvesting-Elemente entsprechend klein ausfallen (müssen) und deshalb lediglich geringe Energiemengen bereitstellen können.

Bekannteste Geräte, die auf einem Micro-Energy-Harvesting beruhen, sind die leuchtenden Solarblumen oder -lampen für den Garten nebst anderen Dekorationsobjekten, die mit kleinen Solarzellen und gegebenenfalls mit einem Akku arbeiten, wie es auch bei den solarunterstützten Power-Banks der Fall ist.

Eine zweite bekannte Gerätekategorie sind die LED-Duschköpfe und -Wasserhähne, bei denen das Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur durch die interne LED-Beleuchtung eine bestimmte Farbe annimmt. Im Innern arbeitet eine kleine (primitive) Wasserturbine, bei der das Wasser (min. 0,2 bar) durch einen Kanal fließt, an dem sich ein Drehrad mit einem elektrodynamischen Wandler (Dynamoprinzip) befindet, womit sich mehrere Milliwatt für die LEDs generieren lassen. Je nach Sichtweise lassen sich diese Applikationen mehr oder weniger auch als Spielereien abtun, wobei die Signalisierung der ungefähren Wassertemperatur anhand einer Farbe (blau, grün, rot) sicher eine nützliche Eigenschaft ist, zumal sie letztlich nichts kostet − jedenfalls keine Batterie.

Sieht man sich nach sinnvolleren Geräten um, die mit Energy Harvesting arbeiten, wird man feststellen, dass sich vieles davon noch im Labor- oder Prototypstadium befindet und dass einige der mit großen Hoffungen gestarteten Applikationen und Firmen schon wieder vom Markt verschwunden sind: so beispielsweise die amerikanischen Firmen Infinite Power Solutions mit ihren »Thin Film«-Akkus, die Firma Cymbet mit ihren »EnerChips« (spezielle Lithium-Akkus in Chipform) und die Firma Adaptiv Energy, die sich darauf spezialisiert hatte, aus Vibrationen mithilfe von Piezo-Generatoren (Joule Thief) Energie zu gewinnen. Die Freiburger Firma Micropelt, die insbesondere durch ihre effektiven Thermogeneratoren für Furore gesorgt hat, ist Ende des Jahres 2015 zum zweiten Mal in die Insolvenz gegangen. Sie hat jedoch neue Geldgeber und jetzt anscheinend auch eine passende Anwendung für ihre Thermogeneratoren gefunden (siehe Abschnitt: Die Differenz macht‘s).

Mobiltelefone mit integrierter Solarzelle (z. B. Samsung S7550) sind ebenfalls vom Markt verschwunden. Bei den Handys oder Smartphones kann eine integrierte Solarzelle den Energiebedarf nicht allein decken, sondern fungiert nur unterstützend, verlängert also die Betriebszeit des Gerätes, bevor man es wieder mit dem Ladegerät verbinden muss. Vergleichbar ist dieses Verhalten mit den solarbetriebenen Power-Banks, die es in den seltensten Fällen schaffen, den Akku voll aufzuladen, und ebenfalls nicht ohne (USB-)Ladegerät auskommen.

Gleichwohl werden laufend Applikationen präsentiert, die mit einer Energy-Harvesting-Methode arbeiten, wie z. B. regelmäßig ein »neuer« Laufschuh, der seine Energie für den integrierten Schrittzähler oder die Funkschnittstelle beim Laufen durch den Fußdruck auf ein Piezo-Element gewinnt, oder Wearables, die aus der Temperaturdifferenz zwischen dem Körper und der Umgebung ihre Betriebsenergie »ernten«. Bei genauerer Betrachtung wird man feststellen, dass sich diese Systeme bisher noch nicht als praxistauglich erwiesen haben und letztlich auch zu teuer sind. Ausschlag-gebend für die Wahl eines Harvesting-Prinzips ist grundsätzlich die Umgebung, in der ein solches System arbeiten soll. Die verschiedenen Energiequellen wie Licht, Vibration oder Temperatur müssen im entsprechenden Umfeld in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen.

Paradeanwendung Funkschalter

Grundsätzlich sollte sich der Entwickler stets die Frage nach dem Mehrwert einer Applikation oder eines Gerätes stellen, wenn es eben nicht mit einer Batterie (Knopfzelle), sondern stattdessen mit einem Energy-Harvesting-Element arbeitet. Aus diesem Grund existiert im Massenmarkt im Moment eigentlich nur eine einzige Anwendung (wenn man von den erwähnten Spaßgeräten absieht), bei der das Energy Harvesting als systemimmanent zu betrachten ist und mit der man auch Geld verdienen kann. Dies sind die Funkschalter der Firma EnOcean, deren Technologie von zahlreichen Firmen, die sich unter dem Dach der EnOcean Alliance zusammengefunden haben, in unterschiedlichen Ausführungen angeboten wird (Bild 1). In mehr als 250.000 Gebäuden ist diese Technologie bereits installiert, sodass man tatsächlich sagen kann, sie habe sich etabliert.

Das Funktionsprinzip beruht darauf, dass sich im Innern der Schalter, die wie gewöhnliche Lichtschalter aussehen können, eine Funkschnittstelle befindet, die beim Druck auf den Taster ein Funktelegramm an einen Empfänger sendet, der beispielsweise im Deckenstromanschluss für eine Lampe integriert ist. Die hierfür notwendige Energie wird im Innern des Schalters durch das Bewegen einer Metallzunge in einer Spule induziert (elektrodynamischer Wandler, Prinzip der Induktion). Diese erzeugte Leistung von ca. 150 µW reicht aus, um ein Datentelegramm (1 ms) an den Empfänger zu senden, der daraufhin das Licht ein- oder ausschaltet. Durch den Funkschalter erspart man sich das Verlegen der Kabel und kann die Schaltelemente praktisch überall im Raum positionieren – selbst auf Glaswänden –, was bei Neubauten ernorm Kosten einsparen kann. Prinzipiell könnten Funkschalter natürlich auch mit Knopfzellen arbeiten, wodurch sie allerdings nicht mehr wartungsfrei wären und man möglicherweise im Dunklen stünde, was nicht akzeptabel wäre. Das von EnOcean entwickelte Funkprotokoll ist das erste, das explizit für Energy Harvesting ausgelegt und seit 2012 internationaler Standard (ISO/IEC 14543) ist.