Energy-Harvesting nutzt Energie aus der Umgebung

In der Gebäudeautomation und im Smart Home haben sich in den letzten Jahren Funktechnologien als bevorzugte Lösung etabliert. Sie bieten mehr Flexibilität bei der Planung und sparen in der Installationsphase eine aufwendige und teure Verkabelung. Bei batterielosen Funklösungen entfällt zudem die Wartung im Betrieb, was die Kosten senkt.

Sensoren dienen in einem intelligenten Gebäude als Sinnesorgane. Sie erfassen unterschiedliche Daten wie Temperatur, Feuchtigkeit, Anwesenheit oder CO₂, um Aktoren intelligent zu steuern.

Die Vernetzung der Komponenten ist durch die notwendige Verkabelung jedoch aufwendig und kostspielig. Funklösungen bieten hier die nötige Flexibilität, auch beim Umbau. Allerdings sind Funklösungen, die auf Batterien angewiesen sind, sehr wartungsintensiv. Denn die Batterien müssen zyklisch ausgetauscht und als umweltbelastender Sondermüll entsorgt werden, was langfristig teuer ist. Funktechnologien, die ohne Batterien auskommen, haben hier immense Vorteile.

Mehr Flexibilität durch Funk

Wenn es darum geht, möglichst viele Sensoren und Schalter in einem System zu integrieren, sind kabelgebundene Lösungen nicht sehr praktisch. Es ist enorm aufwendig und wenig flexibel, wenn jeder Sensor mit einer eigenen Leitung verbunden werden muss. Funksysteme sind hier eine bessere Lösung. Sensoren für Anwesenheit, Temperatur, Luftqualität und Licht, aber auch Schalter oder Rauchmelder können ohne Kabelzwang genau dort angebracht werden, wo man sich braucht. Zudem ist die Flexibilität, das System nachträglich um neue Produkte und zusätzliche Sensoren zu erweitern ohne dafür die Wände aufzubrechen, eine große Stärke.

Funkbasierte Sensoren und Schalter minimieren die Abstimmung verschiedener Gewerke und verringern den Eingriff in bereits bestehende Bausubstanz. Wenn beispielsweise ein Bürogebäude für einen neuen Zweck umgebaut werden soll, ist es nicht nötig, Kabelkanäle in Wände zu brechen oder Stromleitungen an unpassenden Stellen zu verlegen. Dadurch sind die Kosten geringer und die Akzeptanz des Bauherrn oder des künftigen Besitzers höher. Es entfällt, von Beginn an zu planen und sämtliche Kabel- und Netzwerkanschlüsse in der Decke oder im Boden zu verlegen. Senkrechte Wände werden zu einfach verschiebbaren Raumtrennern. Gerade bei Zweckbauten schaffen Bauherren auf diese Weise größtmögliche Flexibilität für die Nutzung.

Nachhaltiger Betrieb ohne Batterien

Ein großer Nachteil drahtloser Lösungen besteht darin, dass sie ohne Stromversorgung von außen auf Batterien angewiesen sind, um die notwendige Energie für Sensoren und Kommunikation zu produzieren. Dies hat negative Auswirkungen auf die Wartungskosten und die Umwelt. Batterien haben zwar eine theoretische Laufzeit von mehreren Jahren, aber in der Praxis sind sie oft viel schneller leer und professionellen Dienstleister tauschen sie daher vorsorglich jährlich ausgetauscht. Der Austausch einzelner Batterien ist ein großer Arbeitsaufwand außerdem muss auch der ökologische Aspekt berücksichtigt werden. Batterien sind giftig und dürfen nicht in den normalen Abfallkreislauf gelangen. Die Entsorgung über spezielle Sammelstellen ist nötig. Bei einer großen Anzahl von Funksensoren – in einem Bürogebäude können das schnell mehrere Tausend sein – beschäftigen der Batteriewechsel und der Entsorgungsprozess einen Facility Manager schnell Vollzeit, mit Zugangsabstimmung, Gerätelokalisierung, Batterietausch, Gerätetest, Dokumentation, Batteriehaltung und Entsorgung.

Energy Harvesting

Moderne Systeme setzen auf batterielose Funkkomponenten, die eine zuverlässige und wartungsfreie Alternative zu klassischen verdrahteten Lösungen darstellen. Gleichzeitig beinhalten sie Flexibilität und einfache Nachrüstbarkeit von Funksystemen. Produkte mit batterieloser Funktechnologie nutzen die Energie, die ihnen die unmittelbare Umgebung zur Verfügung stellt. Dieses Prinzip wird auch Energy Harvesting genannt. In der Gebäudeautomation haben sich insbesondere drei Arten von Energy Harvesting durchgesetzt: kinetische, solarbasierte und thermische Energie. Jede dieser Formen der Energy Harvesting ist für unterschiedliche Produkte geeignet.

Kinetische Energie

Bewegung ist eine äußerst zuverlässige Energiequelle für verschiedene Schalter. Ein elektromechanischer Energiewandler, zum Beispiel der ECO-200 von Enocean, im Inneren des Schaltergehäuses wandelt den Tastendruck in elektrische Energie um und stellt diese unmittelbar nach der Betätigung zur Verfügung. Der Energiewandler funktioniert ähnlich wie ein Fahrraddynamo, bei dem ein kleiner, aber leistungsstarker Magnet einen magnetischen Fluss durch zwei magnetisch leitende Ankerbleche treibt, der sich in einem U-förmigen Kern schließt. Eine Induktionsspule ist um diesen beweglichen Kern gewickelt, der in zwei Positionen platziert werden kann, in denen er die jeweils gegenüberliegenden Ankerbleche berührt. Diese Bewegung führt zu einem schlagartigen Wechsel des Magnetfelds und erzeugt dadurch einen Spannungsimpuls in der Induktionsspule.

Eine einzige Betätigung des Schalters erzeugt eine Energiemenge von 120 µWs, die für drei Funktelegramme ausreicht. Bei Raumtemperatur ermöglicht der elektromechanische Energiewandler über eine Million Schaltzyklen. Das Prinzip der kinetischen Energieernte lässt sich auch für Licht- oder Jalousieschalter nutzen. Darüber hinaus gibt es batterielose Sensoren, die vor Wasserschäden warnen. Sie verfügen über Quellscheiben am Boden, die sich ausdehnen, wenn sie mit einer Flüssigkeit in Kontakt kommen. Diese Bewegung löst den elektromechanischen Wandler aus und sendet ein Funksignal. Aufgrund dieser Meldung schließt das Ventil der Leitung automatisch und der Gebäudebesitzer oder Facility Manager erhält eine entsprechende Benachrichtigung z. B. auf seinem Smartphone.

Solarbasierte Energie

Miniaturisierte Solarmodule machen es möglich, selbst bei geringer Lichtstärke von Innenlicht Funkmodule mit Strom zu versorgen. Solarbetriebene Sensormodule arbeiten extrem energieeffizient. Ein Temperaturmesswert, der alle 15 Minuten übertragen werden soll, benötigt bei einer Helligkeit von 200 Lux lediglich 3,6 Stunden Ladezeit pro Tag für einen unterbrechungsfreien Betrieb. Die Solarzelle erzeugt bei dieser Helligkeit eine Spannung von 3 V. Ein zusätzlicher PAS-Ladekondensator wie der Poly-Acenic-Semiconductor sorgt dafür, dass das Modul auch Perioden mit fehlender Umgebungsenergie überbrückt. Wenn der Energiespeicher vollständig aufgeladen ist, kann das Modul bei vollkommener Dunkelheit etwa eine Woche lang ohne Unterbrechungen betrieben werden.

Thermische Energie

Ein großer Temperaturunterschied, beispielsweise zwischen einem Heizkörper und der Umgebung, kann viel Energie liefern, die nicht nur Sensoren, sondern auch Aktoren nutzen. Die Energiegewinnung erfolgt durch ein Peltier-Element in Kombination mit einem DC/DC-Wandler (z. B. dem ECT 310 Perpetuu). Schon eine kleine Eingangsspannung ab 20 mV, die einem Temperaturunterschied von etwa 2 °C entspricht, kann in eine nutzbare Ausgangsspannung von über 3 V umgewandelt werden. Je größer der Temperaturunterschied, desto mehr Energie kann gewonnen werden. Dieses Prinzip wird derzeit hauptsächlich in Heizkörperstellantrieben eingesetzt. Die gewonnene Energie reicht sowohl für die Funkkommunikation als auch für die Stellhubveränderungen des Ventils. In Kombination mit einem solarbetriebenen Raumsensor kann somit bereits eine vollständig energieautarke Einzelraumregelung realisiert werden.

Genutzte Frequenzen

Produkte mit Enocean-Technologie nutzen unter anderem drei verschiedene Frequenzbänder, die je nach Region variieren: 868 MHz in Europa, 902 MHz in Nordamerika und 928 MHz in Japan. Für die Übertragung von Daten werden Telegramme genutzt. Das sind kurze Nachrichten, die das Zentralsystem anhand einer Checksumme verifieziert. Durch die kurze Dauer der Telegramme (etwa eine Millisekunde) und mehrfacher Telegrammsendung wird das Risiko von Datenkollisionen minimiert. Interferenzen mit anderen Systemen wie WLAN oder DECT sind ausgeschlossen, da die verwendeten Frequenzen außerhalb des von diesen Geräten genutzten 2 GHz Frequenzbandes liegen

Die Reichweite beträgt bis zu 30 m in Gebäuden, auch durch Wände, und kann zudem durch Repeater weiter verbessert werden. Die Kommunikation zwischen den Geräten erfolgt über eine 128-Bit AES-Verschlüsselung. Durch den Einsatz von Rolling Codes wird Manipulation durch Unbefugte verhindert.

Wartungsfreie und smarte Technik auf Funkbasis

Hersteller weltweit haben auf Basis der batterielosen Enocean-Funktechnologie bereits mehrere Tausend smarte Produkte entwickelt, wie beispielsweise Raumthermostate, Funkfensterkontakte und solarbetriebene Präsenzmelder. Diese Produkte erhöhen nicht nur die Energieeffizienz eines Gebäudes, sondern ermöglichen auch eine hohe Flexibilität, da für die Installation keine Verkabelung erforderlich ist. Das senkt die Installationskosten und steigert den Komfort, da die Funkschalter an jedem beliebigen Ort angebracht werden können. Ein weiterer Vorteil ist die Interoperabilität, da sämtliche Produkte miteinander kommunizieren können, unabhängig vom Hersteller.

Fazit

Intelligente Gebäude sind für Energieeinsparungen und zum Komfort-Gewinn längst Realität geworden. Der Einsatz von batterielosen Technologien kann Installationskosten signifikant reduzieren. Neue Funktionen können durch einfache Software-Updates am zentralen Steuer- und Meldesystem erfolgen und erfordern keine Verdrahtung an zusätzlich benötigten Endgeräten. Die flexiblen Funksysteme ermöglichen zudem eine bedarfsgerechte Positionierung ohne aufwändige Umbauten. Dabei ist es wichtig, Systeme mit offenen Standards und flexiblen Ökosystemen zu wählen, um auch in Zukunft herstellerunabhängig nachrüsten und erweitern zu können. Einseitige Entscheidungen bei vermeintlich kurzfristig günstigeren Alternativen führen langfristig zu Nachteilen, etwa wenn Produktlinien aufgegeben oder der Betrieb eingestellt wird. Dank der Flexibilität der Lösungen und den offenen Schnittstellen kann das smarte Gebäude außerdem individuell an die Bedürfnisse seiner Mieter in verschiedenen Phasen angepasst werden.