Weniger Umweltbelastung durch Elektronik Energy Harvesting für elektronische Schaltungen

Mit dem Internet der Dinge und der Digitalisierung werden wir in Zukunft von noch mehr Elektronik umgeben sein. Um den Effekt auf die Umwelt zu verringern, eignen sich Ultra-Low-Power-Schaltungen, die per Energy Harvesting oder von Batterien aus umweltfreundlichen Materialien versorgt werden.

Es wird viel über Umweltschäden geredet, die durch die Elektronikindustrie verursacht werden – von Elektronikschrott und Umweltverschmutzung bis hin zum Energieaufwand und gefährlichen Stoffen. Aber was können wir tun, um dieses Problem zu bekämpfen und gleichzeitig weiter mit der digitalen Entwicklung Schritt zu halten? Industrieweit gibt es verschiedene neue Ideen und Trends, denen wir unsere Aufmerksamkeit widmen können.

Geringere Stromaufnahme

Ein neuerer Trend, der im Bereich Umweltschutz und Nachhaltigkeit beobachtet werden kann, ist das Streben nach einer geringeren Stromaufnahme. Heutzutage gehört es zur Normalität, dass Menschen fünf oder sechs akkubetriebene Geräte mit sich führen – z.B. ein Mobiltelefon, eine Smart Watch, einen Laptop, einen Tablet-PC oder Funkkopfhörer. Im Allgemeinen wird nachhaltig darauf hingearbeitet, den Leistungsbedarf dieser Geräte zu reduzieren.

Dies betrifft insbesondere die Aufladung der enthaltenen Akkus. Die in den Zellen enthaltenen Chemikalien erfordern spezifische Ladeprofile, damit die Lebensdauer der Akkus maximiert und die Akkus selbst sicher verwendet werden können. Einige Chemikalien sind dafür bekannt bzw. berüchtigt, bei unsachgemäßem Laden zu explodieren.

Der Ladevorgang hat sich zu einem anspruchsvollen Anwendungsbereich entwickelt, der die Überwachung von Zellentemperatur, Spannung und Strom in einem geschlossenen Regelkreis beinhaltet, mit variabler Anpassung während des Ladezyklus. Durch ordnungsgemäß durchgeführte Ladevorgänge kann zudem die Lebensdauer der Akkus verlängert werden. Mit der ständigen Weiterentwicklung der verwendeten Chemikalien können wir davon ausgehen, dass der Trend hin zum fortschrittlichen Laden anhalten wird.

In unserer stets vernetzten Kultur, in der ein ständiger Drang zum Aufladen herrscht, kann die Betriebszeit von Geräten nur mithilfe eines sparsamen Umgangs mit Energie und größeren Akkus verlängert werden. Aber wer möchte schon Geräte umhertragen, die größere Akkus enthalten? Unsere Geräte sollen klein sein, und damit wird die verfügbare Energiemenge deutlich eingeschränkt.

Eine Möglichkeit für die Reduzierung der Stromaufnahme ist, die Größe der Halbleiterbausteine zu reduzieren. Je kleiner der Transistor im Chip, desto geringer fällt die Verschiebungsstromstärke aus, mit der elektrische Ladung übertragen wird. Bei einer geringeren Größe besteht jedoch das Problem, dass natürlich auftretende Phänomene wie Gammastrahlen zu einer Veränderung von Ladungsträgern und zur Fehlfunktion der Schaltkreise führen können.

Es gibt eine weitere Technik, die nur wenig Strom benötigt. Allerdings sind die dazugehörenden Bausteine deutlich größer als in der Elektronik – organische Zellen. Die rote Blutzelle eines Menschen hat einen Durchmesser von 8 µm, moderne Transistoren in integrierten Schaltungen sind dagegen nur 14 nm groß. Das ergibt ein Verhältnis von 571:1.

Das menschliche Gehirn braucht normalerweise ca. 20 W. Das klingt nach fantastischer Energieeffizienz! Vielleicht brauchen wir also eine neue Möglichkeit für die Realisierung unserer Niedrigenergiegeräte, und vielleicht ist diese Möglichkeit organischer Natur. Da wir im Laufe der Zeit ein immer besseres Verständnis über unsere gesamte Biologie entwickeln, ist dieses Szenario durchaus vorstellbar.

Es gibt bereits saubere, organische Energiespeicher, die zwar beliebt, aber nicht so allgegenwärtig wie Akkus sind: Superkondensatoren (Bild 1). Sie weisen nicht die Kapazität traditioneller Akkus auf, können jedoch sehr viel schneller geladen werden und überstehen deutlich mehr Ladezyklen als herkömmliche Akkuzellen.

Einige Geräte, in denen Kondensatoren anstelle von Akkus eingesetzt werden, können sogar mithilfe des normalen Umgebungslichts aufgeladen werden. Diese Geräte sind somit Harvester natürlicher Energie, die Licht als Energiequelle nutzen. Bewegung, Temperaturunterschiede und Licht gehören derzeit wahrscheinlich zu den beliebtesten Formen des Energy Harvesting.

Energy Harvesting

Beim Energy Harvesting wird Energie aus der Umgebung des Gerätes von externen Quellen gewonnen, u.a. Sonnenenergie, Wärmeenergie oder Windenergie (Bilder 2, 3). Diese wird in elektrische Energie gewandelt und für kleine, funkbetriebene, autonome Geräte gespeichert. Beispiele für solche Geräte sind Wearables und Funksensorknoten.

Komponenten für das Energy Harvesting versorgen elektronische Schaltungen, die optimiert sind, um besonders energiesparend zu arbeiten, mit geringen Mengen elektrischer Energie. Der Prozess der Energiegewinnung wurde bereits vor langer Zeit in Verbindung mit Windmühlen und Wassermühlen genutzt.

Inzwischen wird die Suche nach neuen Komponenten für das Energy Harvesting jedoch zunehmend von dem Wunsch bestimmt, Funksensornetzwerke und mobile Geräte ohne Batterien zu nutzen. Das verstärkte Interesse am Energy Harvesting ist zudem mit dem Kampf gegen den Klimawandel und die globale Erwärmung verbunden.

Umweltfreundliche Einweg-Dünnschichtbatterien

Eine weitere nachhaltige Alternative stellen flexible, gedruckte Dünnschichtbatterien (Primärzellen) dar, die auch als Festkörper-Dünnschichtbatterien bezeichnet werden. Bei Festkörper-Batterien ist der Name Programm: Sie beinhalten ein festes Innenleben – ohne Gel und Flüssigkeiten. Sie werden aus sehr dünnen Materialschichten oder -folien hergestellt.

Aufgrund ihrer dünnen Bauweise bleiben sie flexibel und kommen häufig im Bereich Wearable-Sensorik zum Einsatz. Häufig werden diese dünnen elektrochemischen Energiespeicherzellen jedoch mit Lithium-basierten oder anderen Chemikalien hergestellt, wodurch sie eine potenziell toxische Gefahr für die Umwelt darstellen.

Der weit verbreitete Einsatz und die Toxizität bestimmter Batterien werden dann problematisch, wenn wir die riesige Anzahl entsorgter Batterien pro Jahr betrachten. Die steigende Nachfrage nach elektronischen Geräten sorgt dafür, dass Laptops, Smartphones usw. einen immer größeren Anteil am jährlich entsorgten Müll ausmachen.

Batterien sind im Allgemeinen nicht biologisch abbaubar. Wenn sie achtlos entsorgt werden, besteht die Gefahr, dass toxische Metalle und Chemikalien in den Boden gelangen. Viele Länder haben inzwischen Vorschriften für die Entsorgung von Batterien und entsprechende Recycling-Programme umgesetzt. Dank dieser Programme können die aus den Batterien entnommenen Metalle wiederverwertet und die negativen Auswirkungen der Batterieentsorgung auf die Umwelt eingedämmt werden.

Die Vorschriften für die Entsorgung von Batterien sorgen in Verbindung mit dem steigenden Bedarf in Bezug auf Betrieb und Vernetzung weiterer Geräte mit dem Internet der Dinge dafür, dass Unternehmen Alternativen zu gefährlichen Batteriechemikalien suchen, die sicher und nachhaltig sind. Die neuen Dünnschichtbatterien von Molex beispielsweise sind eine solche Lösung. Im Gegensatz zu ihren Lithium-Pendants werden diese Zellen mit Zink-Mangandioxid hergestellt. Sie sind damit sicherer und können vom Endanwender bequemer entsorgt werden.

Anwendungsfälle aus der Praxis können besser verdeutlichen, in welchen Anwendungen Merkmale wie ein geringes Profil, Flexibilität, Entsorgungsfähigkeit und eine geringe Grundfläche geschätzt werden und wo ein weiteres Wachstum des Dünnschichtbatteriemarktes angenommen werden kann.

Die Nutzung von Dünnschichtbatterien in Funksensor-Etiketten (RFID-Tag) zur Temperaturmessung ist ein besonders interessanter Anwendungsfall. Diese Tags sind etwa so groß wie eine Kreditkarte und ein wenig dicker als standardmäßiges Kopierpapier. Sie werden in der Logistik bei Kühltransporten eingesetzt, zur Überwachung von temperaturempfindlichen Waren wie pharmazeutischen Produkten, verderblichen Nahrungsmitteln und Blumen. Diese Temperatur-Funksensor-Tags beinhalten verschiedene Techniken für die genaue Messung von Zeit und Temperatur während des Transports und der Lagerung von Waren. Dazu gehören die Erkennung (RFID) und Funkkommunikation (UHF), die Temperaturerfassung mittels Sensor und die Stromversorgung mit der gedruckten Dünnschichtbatterie

Der experimentelle Einsatz von Dünnschichtbatterien findet in den Märkten für Konsumgüter, Kosmetik und medizinischen Produkten statt. Die elektrische Augenmaske ist ein Anwendungsbeispiel in der Schnittmenge von Konsum- und Kosmetikmarkt. Diese Maske beinhaltet eine Mikrostromkomponente, die eine flexible gedruckte Batterie, Elektroden, Klebeband und eine Abdeckfolie umfasst. Wird die Augenklappe auf die Haut gesetzt, entsteht sofort eine Stromschleife und das Kosmetikum fließt von den aktiven Elektroden in der Maske in die Haut.

Elektronische Wearables und Überwachungsgeräte für den Sportbereich sind weitere Anwendungen von Dünnschichtbatterien im Bereich der Konsumelektronik. Ein Beispiel dafür ist das Bluetooth-Sensor-Pflaster, das an der Seite eines Golfschlägers angebracht wird, um die Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit zu messen. Medizinische Anwendungen für einmalig einsetzbare Dünnschichtbatterien beinhalten Geräte für die Diagnostik, Therapie und Überwachung von Patienten.

Weitere Innovationen nötig

In den vergangenen Jahrzehnten ist die Entwicklung neuer und verschiedener Arten von Energiequellen und Batterien unglaublich schnell vorangeschritten, um den immer stärker steigenden Energiebedarf vieler Geräte und Anwendungen zu stillen, die wir tagtäglich im Einsatz haben. In jüngster Zeit sind Unternehmen dazu übergegangen, Kondensatoren und Batterien aus Materialien zu entwickeln, die reichlich vorhanden, nachhaltig und sicher für Umwelt und Menschen sind.

Das Energy Harvesting natürlich auftretender Energien stellt eine weitere nachhaltige Möglichkeit dar, die von vielen Unternehmen immer stärker berücksichtigt wird. Erste Versuche mit dem Einsatz und der Fertigung von Produkten, die mit Dünnschichtbatterien, Superkondensatoren und Komponenten für das Energy Harvesting betrieben werden, konnten auf den Märkten für industrielle Anwendungen, für das Internet der Dinge, Verbraucherprodukte und medizinische Produkte bereits erfolgreich umgesetzt werden.

Die Entwicklung muss jedoch fortgesetzt werden, damit die Kapazität gesteigert werden kann und die Herstellung dieser Methoden vereinfacht wird. Dabei treibt eine wichtige Frage die Entwickler stets an: Wo können wir diese Methoden als Nächstes einsetzen?

 


Komponenten für das Energy Harvesting

Für Entwickler, die eine Schaltung oder ein Gerät für den Betrieb mit einem Energy Harvester entwickeln wollen, bieten zahlreiche Hersteller Entwicklungs- und Demomodule an – für die Stromversorgung, das Energiemanagement zwischen Generator, Speicher und Last sowie zum Testen verschiedener Harvester-Techniken. Auf der Internetsite von Digi-Key zum Beispiel, lassen sich die für Energy Harvesting geeigneten Entwicklungsmodule über die Suchfunktion filtern.


 

Der Autor

Randall Restle

ist als Vice President of Applications Engineering bei Digi-Key Electronics verantwortlich für die Auswahl, den Aufbau und die Leitung eines Teams von qualifizierten Anwendungstechnikern, Technikern und Führungskräften, um die technische Strategie von Digi-Key zu koordinieren, Kunden bei der Auswahl und Verwendung von Produkten modernster Technologie zu unterstützen. Er kam 2011 zu Digi-Key, nachdem er 35 Jahre lang als Ingenieur tätig gewesen war und digitale und analoge Schaltungen, Leiterplatten und Embedded-Software entwickelt hatte.

Restle hält Bachelor- und Masterabschlüsse in Elektrotechnik sowie einen MBA-Abschluss von der Universität von Cincinnati, USA. Er ist zudem ein langjähriges Mitglied des IEEE, war Registered Professional Engineer im Bundesstaat Ohio, ein Certified Project Management Professional am Project Management Institute und hält mehrere Patente.

randall.restle@digikey.com