Zukunft des Energy-Harvesting aus verschiedenen Energiequellen

Energy-Harvesting, effiziente Funkprotokolle und IPv6: Enocean setzt dieses Puzzle mit virtullen Gateways zusammen. Getty Images/iStockphoto

Vor 15 Jahren begann eine Handvoll Wissenschaftler, sich mit Energy-Harvesting zu befassen – heute sind batterielose Funklösungen vor allem in der Gebäudeautomation und zunehmend auch im Smart Home weit verbreitet. Hier liefern die energieautarken Schalter, Sensoren und Aktoren die benötigten Informationen, um den Energieverbrauch eines Gebäudes effizient zu steuern oder eine angenehme Wohn- und Arbeitsatmosphäre zu schaffen. Die Komponenten kommen überall dort zum Einsatz, wo besondere Flexibilität gefordert ist, eine Verkabelung zu aufwendig wäre oder die Messstellen nur schwer zugänglich sind. Die Geräte verrichten ihren Dienst ohne besondere Wartungsanforderungen, ohne Batteriewechsel.

Diese Eigenschaften machen Energy-Harvesting auch interessant für Anwendungen im Internet of Things: Zahlreiche Studien wie „The Internet of Things 2015: Examining How The IoT Will Affect The World“ (BI Intelligence) sehen in wenigen Jahren mehrere Milliarden vernetzte Geräte. Viele davon werden Sensoren sein, die Daten für eine intelligente Steuerung liefern. Undenkbar, diese Mengen mit Kabeln oder Batterien zu betreiben.

Im Gegensatz zum Start der Technologie vor 15 Jahren gibt es heute bereits eine umfangreiche Plattform, auf der weitere Entwicklungen in Richtung des IoT aufsetzen können. Gute Voraussetzungen also, um die möglichen Potenziale des Energy-Harvesting für das IoT in relativ kurzer Zeit zu erschließen. Aktuell nutzen die energieautarken Sensoren vor allem drei Quellen: Kinetische, solare und thermische Energie.

Bild 1: Elektromechanischer Energiewandler integriert in ein Schaltermodul für einen batterielosen Funkschalter. Der Tastendruck erzeugt die Energie für das Funktelegramm. Enocean

Drei Quellen

Bei der kinetischen Ernte setzt ein elektromechanischer Energiewandler Bewegung, beispielsweise von einem Tastendruck, unmittelbar in elektrische Energie um. Bei jeder Betätigung erzeugt ein verbreitetes Modell (Bild 1) eine Energiemenge von 120 µWs, die für das Senden von drei Funktelegrammen reicht. Auch die Rückbewegung liefert diesen Energiepuls. Bei Zimmertemperatur kann ein solcher Wandler mehr als eine Million Betätigungen erreichen. In schwierigen Umgebungen liegen die Schaltzyklen immer noch bei mindestens 300.000 und damit um ein Vielfaches höher als beispielsweise die für die Gebäudeautomation definierten Zyklen von 40.000.

Neben linearer Bewegung eignen sich auch laterale Bewegungen, Rotation oder Vibration. Auch diese Quellen lassen sich entweder mit einem mechanischen oder piezoelektrischen Wandler nutzen.

Miniaturisierte Solarmodule können bereits die geringen Lichtstärken in Räumen nutzen, um Funkmodule mit Strom zu versorgen. Das solarbetriebene Temperatursensormodul STM 330 von Enocean beispielsweise kann bei 200 Lux und einer Ladezeit von etwas mehr als 3,5 h einen Sensor ohne Unterbrechung betreiben, der alle 15 min einen Wert überträgt. Im Gegensatz zur kinetischen Ernte wird die Solarenergie nicht sofort eingesetzt, sondern in einem Speicher gesammelt. Ein zusätzlicher PAS-Ladekondensator (Poly Acenic Semiconductor) erhält auch dann den Betrieb aufrecht, wenn über mehrere Tage kein Licht vorhanden ist. Mit dieser Art von miniaturisierten, leistungsstarken Solarzellen lassen sich unterschiedliche Sensoren umsetzen, wie Temperatur-, Flüssigkeits-, Feuchtigkeits- und CO₂-Sensoren sowie Multifunktionssensoren, Fensterkontakte oder Bewegungsmelder.

In Temperaturunterschieden steckt viel Energie, die sich mithilfe von Thermogeneratoren nutzen lässt. Um optimale Energiemengen zu erhalten, ist zusätzlich ein Spannungswandler nötig. Die Kombination aus beiden macht es möglich, Eingangsspannungen bereits ab 10 mV in für Elektronik nutzbare Ausgangsspannung umzusetzen. Ab 20 mV (also rund 2 °C) erzeugt der Wandler eine Ausgangsspannung größer als 3 V. Aus einem Temperaturunterschied von 7 °C lassen sich bereits rund 100 μW Energie gewinnen.

Künftige Potenziale

Aufbauend auf heutigen Energy-Harvesting-Technologien zeigen sich verschiedene Möglichkeiten, um die Leistung für andere Anwendungen, auch außerhalb des Gebäudes, weiterzuentwickeln. Ein vielversprechender Ansatz sind effizientere Wandler. Bewegungswandler beispielsweise sind sehr robust und lassen sich vielfältig überall dort einsetzen, wo es eine Form von Bewegung gibt. Hier reichen die möglichen Einsatzbereiche von strömenden Gasen und Flüssigkeiten über bewegliche Maschinenteile bis hin zu den Schritten eines Menschen oder der Drehung eines Reifens.

Licht wird sicherlich die meistgenutzte Energiequelle bleiben. Hier ist es sofort ersichtlich und messbar, wie viel Energie zur Verfügung steht. Nächste Produktgenerationen werden effizientere Solarzellen mit verbesserter Leistung bei geringerer Lichtstärke kombinieren. Heute liegt die Obergrenze für einen einwandfreien Betrieb bei ungefähr 100 Lux mit 5 % Effizienz. Die künftigen Solarzellen basieren auf organischem Material oder Farbstoff und haben eine Effizienzrate von mehr als 10 % bei einer Lichtintensität von 10 Lux. Das Ziel aktueller Forschung ist es, solarbetriebene Geräte mit besseren Speichern zu kombinieren, sodass diese vollständig aufgeladen mehrere Monate in Dunkelheit arbeiten können.

Die Temperaturernte steht noch am Anfang. Als neue Variante ließen sich zum Beispiel Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht für Außenanwendungen nutzen. Die entsprechenden Wandler, die bereits in Laborumgebungen arbeiten, werden den Aufbau robuster Sensorknoten ermöglichen, die unabhängig von Licht und unempfindlich gegenüber Verschmutzung arbeiten.

Energieverbrauch senken

Die größte Herausforderung bei allen Anwendungen mit batterielosem Funk besteht darin, dass nur sehr geringe Mengen an Energie zur Verfügung stehen. Je nach Anwendung muss die Energie als kurzer Impuls oder kontinuierlich bereitstehen. In beiden Fällen muss man sie meist akkumulieren und auf höhere Spannungspegel wandeln. Daher benötigen die Geräte ein besonders energieeffizientes Systemdesign mit einer niedrigen Einschaltdauer und einen äußerst geringen Standby-Verbrauch in den Schlafphasen.

Je niedriger also der Energieverbrauch eines Geräts, desto besser die Chancen, Energy-Harvesting erfolgreich anzuwenden. Für neue Applikationen gibt es Entwicklungen, den Energieverbrauch weiter zu reduzieren. Ein Ansatz ist dabei, den Energiebedarf des Timers, der die Aktivitäts- und Ruhephasen eines Sensors steuert, um das Zehnfache zu verringern.

Neben dem Energiebedarf evaluiert die Forschung auch verbesserte Speicherkomponenten. Ziel ist es, die geerntete Energie einige Wochen bis mehrere Monate ohne neue Umgebungsenergien speichern zu können. In Zukunft wird es batterielose Sensoren geben, die viel länger schlafen können, also ihre Energie einbehalten bis ein Vorfall sie aufweckt und sie anfangen, Daten zu erfassen und zu senden. Das ist insbesondere interessant für Warnsysteme in dunklen Umgebungen, zum Beispiel im Wald oder in schlecht beleuchtenden Bereichen.

Bild 2: Die Protokollstruktur des Standards IOS/IEC 14543-3-10, optimiert für Anwendungen mit besonders niedrigem Energieverbrauch einschließlich Energy-Harvesting. Enocean

Energiesparendes Funkprotokoll

Auch der Funk selbst ist ein wichtiger Baustein für Energy-Harvesting. Er muss für einen besonders niedrigen Energieverbrauch optimiert sein. Hier gibt es beispielsweise den Standard ISO/IEC 14543-3-10 (868 MHz, Bild 2) oder auch Subprotokolle des IEEE 802.15.4-Standards (2,4 GHz), die sich an die Eigenschaften des ISO/IEC anlehnen.

Die minimale Telegrammlänge des ISO/IEC-Standards beträgt 0,7 ms bei einer Datenrate von 125 kBit/s. Das Protokoll benötigt für die Übertragung von 1 Byte Nutzdaten lediglich einen Protokoll-Overhead von 7 Byte. Obwohl die Sendeleistung bis zu 10 mW beträgt, hat die Funkübertragung nur einen Energiebedarf von 50 µWs pro Einzeltelegramm. Mit diesen Parametern können energieautarke Funksensoren eine Reichweite von 30 m im Gebäudeinneren und 300 m im Freifeld erreichen.

Bild 3: Der IPv6-Header (Internet-Protokoll, Version 6) umfasst 40 Byte. Die durch Energy-Harvesting erzeugten Energiemengen sind zu gering, um IPv6 als Übertragungsprotokoll zu nutzen. Enocean

Für das Internet der Dinge stößt dieses Protokoll allerdings schnell an seine Grenzen. Die umfassende Vernetzung des IoT erfordert ein globales, standardisiertes Netzwerkprotokoll, das die direkte und eindeutige Kommunikation zwischen einer praktisch unbegrenzten Anzahl von Teilnehmern erlaubt. Nur das Internet-Protokoll Version 6 (IPv6) erfüllt mit seinen 128-Bit-Adressen diese Anforderung. IPv6 ist allerdings nicht gerade energiesparend, alleine der IPv6-Header benötigt 40 Byte (Bild 3). Das ist problematisch in Anwendungen, die einen Großteil ihrer Energie für die drahtlose Übertragung verbrauchen. So generiert ein batterieloser Temperatursensor nur 1 oder 2 Byte an nutzbaren Informationen. Bei deren Übertragung unter IPv6 werden jedoch weitere 40 Byte allein für den Header benötigt. Dazu kämen zusätzlich noch die Daten, die die höheren Protokollschichten abbilden. Für die geringen Energiemengen des Energy-Harvesting ist IPv6 demnach ungeeignet.

Bild 4: Das zustandsabbildende Gateway arbeitet mit virtuellen Sensoren. Dadurch ist eine ständige Kommunikation im Netzwerk möglich, auch wenn sich die realen batterielosen Sensoren tatsächlich immer wieder in Schlafphasen befinden. Enocean

Zustand abbilden

Die Lösung, um energieautarke Sensoren dennoch ins IoT einzubinden, sind zustandsabbildende Gateways (Bild 4). Sie bilden jedes physische Gerät virtuell ab. Dieses Abbild repräsentiert alle Informationen, die das physische Gerät senden könnte und es speichert alle Kommandos, die an das reale Gerät gehen sollen. Jedes Mal, wenn der physische Sensor eine neue Information sendet, passt das Gateway den entsprechende Parameter im virtuellen Gerät an. Genauso speichert es jedes Kommando für das Gerät und der Sensor kann es zu einem späteren Zeitpunkt abfragen. Das eigentliche Gateway, das das energiesparsame Protokoll der batterielosen Funksensoren in IPv6 konvertiert, kommuniziert nur mit dem virtuellen Abbild des Geräts. Dadurch erscheint für ihn das physische Gerät immer ansprechbar, obwohl dieses in Wahrheit nur in den Aktivphasen des Sensors möglich ist.

Das ermöglicht den einfachen Einsatz einer Vielzahl kostengünstiger und wartungsfreier Geräte, die drahtlos miteinander kommunizieren – eine Grundlage für das Internet der Dinge. Zusammen mit einer weiterentwickelten Energy-Harvesting-Technologie entstehen dadurch neue Anwendungsfelder für batterielose Sensoren, zum Beispiel zur Überwachung in der Landwirtschaft, zur Koordination von Logistik und Verkehr sowie zum Schutz von wertvollen Ressourcen wie Wasser.

(lei)