Energy Harvesting – Energie aus der Umwelt; Teil 1: Micro Energy-Harvesting für Ultra-Low-Power-Elektronik – Piezoeffekt

Der Betrieb von ausgedehnten, funkbasierten Systemen elektronischer Sensoren, die jahrelang ohne Unterbrechung miteinander und mit einer Zentrale kommunizieren sollen, benötigt idealerweise keine Stromversorgung durch eine leitungsgebundene oder eingebaute elektrochemische Energieversorgungsquelle.

Die elektrische Betriebsenergie für verbrauchsoptimierte Halbleiterschaltungen lässt sich mit dem wünschenswerten hohen Maß an Flexibilität, Wartungsarmut und Zuverlässigkeit mit Energy Harvesting aus der Umwelt gewinnen. Die große Verbreitung derartiger Micro-Energy-Harvesting-Konzepte kann durch Einsparung von Rohstoffen und Energie einen signifikanten Nachhaltigkeitsbeitrag für die Welt von morgen liefern. Bei einem geschätzten Anteil von 90 % für Verdrahtung und Installation einer Temperaturmessstelle in der Prozessautomatisierung wird deutlich, dass über Energie aus ihrem Umfeld betriebene und drahtlos ausgelesene Sensoren nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich attraktiv sind.

Nachhaltigkeit als Grundgedanke

Schon immer war es ein Wunsch des Menschen, Energien aus seinem Umfeld zu seinem Vorteil nutzen. Dazu muss er sie „ernten“ und ihrem vorgesehenen Einsatzzweck zuführen. Das kann auf vielfältigste Art für unzählige Zwecke geschehen. Auf eine besonders unmittelbare Art erntet bei genauer Betrachtung der Spaziergänger an einem klaren kalten Wintertag Energie, wenn er sich auf einer Bank durch die Sonnenstrahlen aufwärmen lässt, oder der Wanderer, der sich an einem heißen Sommertag an einer kühlen Quelle erfrischt. Schwieriger, weil mit dem Einsatz von Technik verbunden, wurde das Ernten von Energie für den Antrieb von Vorrichtungen, die dem Menschen die manuelle Arbeit zumindest erleichtern. Man denke an Wasser- oder Windmühlen für die strömenden Medien Wasser und Luft zum Zerkleinern von Körnern, Walken von textilen Geweben sowie Antrieb von Schmiedehämmern.

Aber auch der Eiskeller, in dem die winterliche Kälte zum Kühlen verderblicher Waren im Sommer konserviert wurde, Holz und Kohle als gespeicherte Sonnenenergie zum Heizen eignen sich als Beispiel. In neuerer Zeit sind technische Verfahren zum Betreiben von Uhren ersonnen worden, die deren Aufziehen überflüssig machen. Man denke an die „Atmosphärische Uhr“, die sich aus den allgegenwärtigen Luftdruckschwankungen speist oder die über die Armbewegungen ihres Trägers aufgezogene Automatikarmbanduhr.

Ultra-Low-Power-Elektronik

Es gibt zahlreiche Methoden zum Gewinnen von elektrischer Energie (Energy Harvesting = Energie Ernte). Sie bedienen sich ungenutzter Energiepotentiale in unserer Umwelt:

• Wärme,
• Temperatur,
• Druck,
• Vibrationen,
• Schall,
• Strahlung, …

Die meisten von ihnen sind nicht geeignet, Energiemengen zur Versorgung von Großverbrauchern zu „ernten“ oder in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen.
Micro-Energy-Harvesting liefert kleine bis winzige Erträge, die nur für Technologien mit extrem geringem Betriebsenergiebedarf (Ultra Low Power) ausreichen. Ziel ist die netzunabhängige, drahtlose Stromversorgung kleiner elektronischer Bausteine – einzeln oder funkvernetzt. Für mobile und regenerative Anwendungen bedingen sich Micro-Energy-Harvesting und Ultra-Low-Power-Technologie gegenseitig.

Das Zusammenspiel eines typischen energieautarken Sensor-Funkmoduls mit einem auswertenden Aktor zeigt das Bild. Bei geringem Energiebedarf des Aktors, lässt sich das System-Funkmodul ebenfalls durch Energy-Harvesting-Versorgung mit Betriebsenergie versorgen, also autark betreiben.

Energieabschätzung

Energie ist bekanntlich das Produkt aus einer Leistung und der Zeit, in der diese Leistung in Anspruch genommen wurde. Das erfordert zwingend, dass die geringe Energiemengen im Mikrowattsekundenbereich, die durch miniaturisierte Energy-Harvesting-Module gewonnen werden können, von der damit versorgten Elektronik einerseits extrem stromsparend sein muss und andererseits ihre Aufgabe nicht zu häufig und dann in möglichst kurzen Zeitabschnitten erledigen muss.

Nach Angaben von Enocean, Pionier der batterielosen Funktechnologie, benötigt ein typisches Enocean-Funkmodul lediglich 50 μWs für die Übertragung eines Datensignaltelegramms über eine Entfernung von 300 m im Freifeld. Das wird plausibel, wenn man bedenkt, dass der die komplette Auslösung, Durchführung und Übertragung umfassende Vorgang nur etwa eine tausendstel Sekunde dauert. Man spricht hierbei von einer gepulsten Übertragung, für deren Dauer von 1 ms eine Leistung von etwa 50 mW zur Verfügung stehen muss.

Beispiel. Um diesen geringen Energiebedarf zu veranschaulichen: Das Abkühlen eines 0,1 g schweren Wassertropfens um 1 °C setzt Energie für 25 000 Enocean-Funk-Datentelegramme frei!

Die Fläche unter der Zeit-Leistungskurve muss so klein wie möglich sein, denn sie repräsentiert als Produkt aus Leistung und Zeit die verbrauchte Energie. Mit anderen Worten: Für einen möglichst geringen Energieverbrauch E sind sowohl die Leistung P als auch die Dauer ihrer Inanspruchnahme T zu minimieren.

Arten der Energiegewinnung

Bei der Gewinnung von Energie für einen Verbraucher aus seinem Umfeld, muss dessen Energiezustand zeitlichen oder örtlichen Änderungen unterworfen sein. An den Wandlertypen für die folgenden Energiearten sei dies erläutert. Bei den mechanischen Wandlern kann man unterscheiden zwischen

• Rotationswandlern (auf Induktion basierende Mikrogeneratoren für Gas- und Wasserzähler, rotierende Werkzeuge, Autoreifen, …),
• Vibrationswandlern (Piezoelemente an Maschinen, Fahrzeugen, Menschen in Bewegung, …) und
• Linearwandlern (induktive oder piezoelektrische Generatoren für Taster, …).

Aus der Vielzahl von Möglichkeiten seien nachstehend nur einige exemplarisch herausgegriffen.