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Energy Harvesting: Strom ernten

Fortsetzung des Artikels von Teil 1.

Wärme und Bewegung als Energielieferanten

Thermische Energie
Da die Produktintegration beim Gewinnen von Energie aus Temperaturunterschieden komplexer ist als bei kinetischer oder Lichtenergie und tiefergreifendes technisches Wissen verlangt, steckt die Produkt-entwicklung noch in den Kinderschuhen. Dennoch birgt diese Methode ein großes Potenzial: Bei der Heizungs-, Klima- und Lüftungssteuerung, der Prozessautomatisierung, aber auch am menschlichen Körper findet sich Wärme und somit ein Temperaturunterschied zur Umgebung. Die so gewonnene Energie kann dabei nicht nur Sensoren, sondern auch Aktoren versorgen.

Geerntet wird sie von Thermogeneratoren beziehungsweise Peltier-Elementen, das heißt von elektrothermischen Wandlern, in denen zwischen zwei verschiedenen elektrischen Leitern bei einer Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen eine elektrische Spannung entsteht. Zusätzlich zum Peltier-Element, mit denen aus einem Grad Temperaturdifferenz nur Spannungen von etwa zehn Millivolt (mV) gewonnen werden können, ist ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) von Nöten. Dieser wandelt eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau um. Die Umsetzung erfolgt dabei mithilfe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines Energiespeichers. Bei einem Temperaturunterschied von zwei Grad Celsios und der damit verbundenen Eingangsspannung von 20 mV lässt sich auf diese Weise eine nutzbare Ausgangsspannung von drei Volt erzeugen. Dabei gilt: Je höher der Temperaturunterschied, umso höher die gewonnene Energie.

Piezoelektrischer Effekt
Auch der Einfluss des Menschen kann beim Energy Harvesting nutzbar gemacht werden. Bei der Deformation von Piezokristallen, das heißt Kristallen mit einer polaren Achse, aber ohne Symmetriezentrum wie a-Quarz oder Zinksulfid, wird an deren Oberfläche elektrische Ladung erzeugt. Als Auslöser dienen auf der einen Seite Vibrationen. Auf der anderen Seite kann auch kinetische Energie eingesetzt werden, um Piezo-Elemente zu verformen: In den Belag eines Gehwegs eingearbeitet, sorgt beispielsweise jeder Schritt für eine Deformation der Kristalle und erzeugt dadurch Strom.

Der Schritt eines Fußgängers wird dabei in fünf Watt elektrische Energie umgewandelt. Gespeichert werden kann die überschüssige Energie in Dünnfilm-Batterien, eine Form der Lithiumionenbatterie, die lediglich einige Millimeter dick ist, oder in kleinen Ultra-Kondensatoren deren Leistungsdichte etwa zehn- bis hundertfach größer ist als die herkömmlicher Akkumulatoren.

Das optimale Zusammenspiel der Komponenten
„Da die einzelnen Anwendungsszenarien ein unterschiedliches Energieangebot aufweisen, wie beispielsweise unterschiedliche Beleuchtungsstärken beziehungsweise Sonneneinstrahlung, aber auch verschieden starke Vibrationen und mechanische Belastungen, müssen die einzelnen Systemkomponenten immer optimal auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden“, erklärt Spies. Je effizienter dabei die Wandler werden, in umso mehr Anwendungen können sie die Batterien ersetzten. Hinzu kommt, dass leistungsstarke Speicher und energiesparsame Chips benötigt werden.

„Eine weitere Anforderung eines hoch energieeffizienten Systems ist zudem ein extrem niedriger Standby-Verbrauch“, führt Baryla an. Spezielle Konstruktionsverfahren und optimierte Komponenten ermöglichten einen 10.000-fach geringeren Stromverbrauch.

Für die Übertragung hat die International Electrotechnical Commission (IEC) den internationalen Funkstandard ISO/IEC 14543-3-10 bestätigt. Dieser spezielle Standard für Funkanwendungen hat einen besonders niedrigen Energieverbrauch: Obwohl die Sendeleistung bis zu zehn mW beträgt, hat die Übertragung nur einen Energiebedarf von etwa 30 µWs. In Europa nutzt der Standard das Frequenzband 868 MHz. Um Sendefehler und Kollisionen, die vor allem dann auftreten, wenn viele Funkschalter und -sensoren auf einem engen Raum betrieben werden, zu vermeiden, wird das Signal nach dem ersten Versand noch zwei weitere Male zufallsgesteuert gesendet.