Zukunftsfähige Technologien sollen das Internet der Dinge (IoT) formen. Die Energieversorgung von Millionen kommunizierender Geräte ist dabei eine besondere Herausforderung. Im Großen sind regenerative Energien längst eine tragende Säule der Energiegewinnung. Felder mit Solarzellen, die Energie aus Sonnenlicht gewinnen, oder Windräder prägen inzwischen das Landschaftsbild. Diese Form der Energiegewinnung gibt es auch im Kleinen. Hier heißt sie „Energy Harvesting“. Dabei „ernten“ kleine Energiewandler Energie aus Bewegung, Licht oder Temperaturunterschieden. Diese Energiemengen reichen aus, um Daten per Funk zu übertragen.

Drei verschiedende Quellen für Energy Harvesting

Die Energieernte für funkbasierte Produkte nutzt derzeit drei verschiedene Quellen, nämlich Bewegung, Licht und Temperaturunterschiede. Das Drücken eines Schalters, sich bewegende Maschinenteile, die Drehbewegung eines Griffs; all dies erzeugt Energie aus Bewegung. Energie aus Licht lässt sich durch das Innen- oder einfallende Sonnenlicht in einem Raum gewinnen. Temperaturunterschiede zwischen einer Wärmequelle wie Heizkörper, Rohrleitungen oder Kessel und der Umgebung sowie Tag- und Nachtschwankungen sind ebenfalls dazu geeignet Engerie zu „ernten“. Für jede der drei Quellen gibt es unterschiedliche Energiewandler mit verschiedenen Leistungsparametern. Die Art der Energiegewinnung zusammen mit der entsprechenden Stromausbeute bestimmt dabei maßgeblich die Einsatzmöglichkeiten.

Bewegungsenergie

Der mechanische Energiewandler Eco 200 verwandelt Bewegung in elektrische Energie. Diese stellt er unmittelbar nach der Betätigung zur Verfügung. Ein kleiner, aber leistungsstarker Magnet treibt einen magnetischen Fluss durch zwei magnetisch leitende Ankerbleche, dieser schließt sich in einem U-förmigen Kern. Um diesen Kern ist eine Induktionsspule gewickelt. Der Kern selbst ist beweglich und kann zwei Positionen einnehmen, in denen er die jeweils gegenüberliegenden Ankerbleche berührt. Diese Konstruktion liefert eine maximale magnetische Flussänderung durch die Spule mit einer minimalen Bewegung des Kerns und damit eine hohe Effizienz.

Bild 1: Jede Betätigung liefert einen kleinen elektrischen Impuls, der sofort für den kurzzeitigen Betrieb elektronischer Schaltungen genutzt werden kann.

Bild 1: Beim Eco 200 liefert jede Betätigung einen kleinen elektrischen Impuls, der sich sofort für den kurzzeitigen Betrieb elektronischer Schaltungen nutzen lässt. Enocean

Als mechanischer Energiespeicher dient eine Blattfeder. Durch zunehmende Beugung der Feder speichert diese so lange mechanische Energie, bis die magnetischen Selbsthaltungskräfte von etwa 3,5 N den U-Kern nicht mehr in seiner Position halten können und er in seine zweite Position klappt. Durch den schlagartigen Wechsel des Magnetfelds entsteht ein Spannungspuls in der Induktionsspule. Jede Betätigung liefert einen kleinen elektrischen Impuls, der sich sofort für den kurzzeitigen Betrieb elektronischer Schaltungen nutzen lässt (Bild 1).

Der leichtgängige Energiewandler hat eine Bauhöhe von nur 7 Millimeter bei 8 Gramm Gewicht. So lässt er sich auch in kleinen, flachen Gehäusen mit kurzen Betätigungswegen integrieren. Mit einer Energiemenge von 120 µWs bei einer stabilisierten Spannung von 2 V kann jede Betätigung drei Funktelegramme betreiben. Auch die Rückbewegung liefert wieder einen Energiepuls und erlaubt so das Aussenden von Start/Stop-Signalen, mit denen Funktionen wie Torsteuerung, Wechselschaltungen oder Dimmen umsetzbar sind. Die Geschwindigkeit des Umklappens bestimmt wesentlich die Energiemenge, welche die Spule zur Verfügung stellen kann – und ist immer konstant, da die Feder den U-Kern stets ähnlich beschleunigt, unabhängig davon, wie schnell sie gespannt wurde.

Bei den maximal erlaubten Schaltwegen von 1,2 mm ermöglicht der Wandler mehr als 300.000 Schaltzyklen. Mit kürzeren Schaltwegen (ab 0,7 mm Federhub) sind deutlich mehr als eine Million Schaltzyklen typisch. Im Vergleich zu piezoelektrischen Wandlern in dieser Leistungsklasse ist der elektromechanische Generator robuster und liefert eine stabilere Energieausbeute.

Bild 2: Die Energieernte aus Bewegung eignet sich für Schalter in verschiedenen Größen und für unterschiedliche Funktionen. Dazu gehören Lichtschalter, Steuerungsschalter, Busstopptasten oder auch Industrieschalter.

Bild 2: Die Energieernte aus Bewegung eignet sich für Schalter in verschiedenen Größen und für unterschiedliche Funktionen. Dazu gehören Lichtschalter, Steuerungsschalter, Busstopptasten oder auch Industrieschalter. Enocean

Auch die Einsatzmöglichkeiten sind vielseitig. Die Energieernte aus Bewegung eignet sich für Schalter in verschiedenen Größen und für unterschiedliche Funktionen. Dazu gehören Lichtschalter, Steuerungsschalter, Busstopptasten oder auch Industrieschalter (Bild 2).

Lichtenergie

Bild 3: Ein Beispiel für die Energiegewinnung aus Licht ist das solarbetriebene Temperatursensormodul STM 330. Die Solarzelle erzeugt hier bei 200 Lux eine Spannung von 3 Volt.

Bild 3: Ein Beispiel für die Energiegewinnung aus Licht ist das solarbetriebene Temperatursensormodul STM 330. Die Solarzelle erzeugt hier bei 200 Lux eine Spannung von 3 V. Enocean

Neben Bewegung lässt sich Elektronik vor allem auch über Licht stabil mit Strom versorgen. Miniaturisierte Solarmodule, die nicht größer als 13 mm × 35 mm sind, können die geringe Lichtstärke von Innenlicht nutzen, um Funkmodule mit Strom zu versorgen. Ein Beispiel dafür ist das solarbetriebene Temperatursensormodul STM 330. Es kann die Temperatur in einem Raum oder auch an Maschinen messen. Erfolgt die Übertragung des Messwerts beispielsweise alle 15 Minuten, reichen bei 200 Lux bereits 3,6 Stunden Ladezeit am Tag für einen unterbrechungsfreien Betrieb. Die Solarzelle erzeugt dabei bei 200 Lux eine Spannung von 3 V (Bild 3).

Ein zusätzlicher auf der Leiterplatte sitzender Energiespeicher mit nur 6 mm Durchmesser und etwa 1 mm Bauhöhe sorgt für einen Energievorrat, der Perioden mit fehlender Umgebungsenergie überbrückt. Bei einem komplett aufgeladenen Energiespeicher ist das Modul in absoluter Dunkelheit etwa zwei Wochen voll funktionsfähig. Zusätzlich reduzieren die Module den Energieverbrauch, indem sie alle Aktionen der Sensoren und Aktoren sehr schnell ausführen und die jeweils nicht benötigten Baugruppen konsequent abschalten. Hierfür sorgen energiesparsame Timer in den Sensormodulen, die alle anderen Komponenten während der Ruhephasen vollständig deaktivieren beziehungsweise bei nötigen Aktionen wieder aktivieren.

Die solarbasierten Funkmodule erlauben ein breites Spektrum an energieautarken Anwendungen. Dazu gehören Fensterkontakte, Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensoren, Lichtsensoren, Präsenzmelder oder auch Druck- und Gasmessfühler. Letztendlich eignet sich diese Form der Energiegewinnung für jede Art von Sensoren, die in einer ausreichend beleuchteten Umgebung die gewünschten Messwerte liefern können.

Thermische Energie

In Temperaturunterschieden steckt viel Energie. Ein Tropfen Wasser um 1 °C gekühlt, liefert genug Energie für 25.000 energieoptimierte Funktelegramme. Das Potenzial ist entsprechend groß: Bei der Heizungs-, Klima- und Lüftungssteuerung, in der Prozessautomatisierung, in Fahrzeugen und sogar am menschlichen Körper findet sich Wärme – und damit ein Temperaturunterschied gegenüber der Umgebung. Außerhalb von Gebäuden lassen sich zudem Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht nutzen.

Bild 4: Der DC/DC-Wandler Ect 310 von Enocean verstärkt die erzeugten Spannungen auf ein für Elektronik nutzbares Niveau.

Bild 4: Der DC/DC-Wandler Ect 310 von Enocean verstärkt die erzeugten Spannungen auf ein für Elektronik nutzbares Niveau. Enocean

Mithilfe von Temperaturunterschieden lassen sich nicht nur Sensoren, sondern auch Aktoren batterielos mit Energie versorgen. Die Energie gewinnen dabei Thermogeneratoren beziehungsweise Peltier-Elemente. Kostengünstige Peltier-Elemente haben allerdings einen entscheidenden Nachteil: Sie produzieren nur sehr kleine Spannungen von etwa 10 mV/K. Eine angeschlossene Elektronik, beispielsweise ein Enocean-Sensormodul, braucht jedoch eine Versorgungsspannung von 3 V. Zusätzlich zum Peltier-Element benötigt diese Form der Energiegewinnung einen DC/DC-Wandler wie den Ect 310 von Enocean. Dieser verstärkt die erzeugten Spannungen auf ein für Elektronik nutzbares Niveau (Bild 4).

Der optimierte Oszillator beginnt bereits ab einer Eingangsspannung von 10 mV zu schwingen. Ab 20 mV (etwa 2 K) entsteht eine nutzbare Ausgangsspannung von mehr als 3 V. Für diesen hohen Wandlerwirkungsgrad von 30 Prozent wird im gesamten Eingangsspannungsbereich bis 500 mV die Ausgangsspannung nur grob auf unterhalb von 5 V geregelt. Damit sind die Voraussetzungen ähnlich wie bei unregulierten Versorgungsspannungen von Solarzellen. Die batterielosen Funkmodule können problemlos damit umgehen, da sie speziell für diese Art der Energieversorgung ausgelegt sind.

Energieüberschuss und verbessertes Funkprotokoll

Bei einem Temperaturunterschied von nur 7 K werden bereits rund 100 μW Energie erzeugt. Ein typisches Enocean-Funkmodul, das alle zwei Minuten zum Senden eines Funktelegramms geweckt wird, benötigt durchschnittlich 5 μW. Damit bleibt mit 95 μW genug Energie zur periodischen Versorgung einiger Aktoren, beispielsweise zur Steuerung von Wasserventilen, Luftklappen oder anderen mechanischen Komponenten.

Bild 5: Das Protokoll ist speziell für Funklösungen mit einem besonders niedrigen Energieverbrauch, also auch für Energy Harvesting, ausgelegt und umfasst den Physical, Data Link sowie den Networking Layer.

Bild 5: Der Enocean-Funkstandard ist speziell für Funklösungen mit einem besonders niedrigen Energieverbrauch, also auch für Energy Harvesting, ausgelegt. Enocean

Der Einsatz von Energiewandlern und stromsparenden Funkmodulen für Sensoren und Aktoren ist nur in der Kombination mit einem energieoptimierten Funkprotokoll möglich. Die dafür notwendigen Eigenschaften definiert der internationale Enocean-Funkstandard (ISO/IEC 14543-3-1X). Das Protokoll ist speziell für Funklösungen mit einem besonders niedrigen Energieverbrauch, also auch für Energy Harvesting, ausgelegt und umfasst den Physical-, Data-Link sowie den Networking-Layer. Die Applikationsebene decken einheitliche Anwendungsprofile (Enocean-Equipment-Profiles, EEPs) ab. In Europa nutzt der Standard das Frequenzband 868 MHz (Bild 5). Inzwischen gibt es für internationale Funkstandards im Frequenzbereich von 2,4 GHz ebenfalls energiearme Spezifikationen, die sich mit Energy Harvesting nutzen lassen. Dazu gehören Bluetooth-Low-Energy (BLE) und Zigbee-Pro-Green-Power.

Industrieller Einsatz

In der industriellen Produktion haben Sensoren eine Schlüsselfunktion. Sie sind beispielsweise bei der Qualitäts- und Prozessüberwachung oder zustandsbasierten Wartung einsetzbar. Das Anwendungsspektrum ist groß und entwickelt sich aufgrund des zunehmenden Einsatzes von Funksensoren in Richtung eines industriellen Internets der Dinge (IIoT). Durch die Kombination von energiesparendem Funk mit lokalen Energiewandlern lassen sich batterielose und dadurch wartungsfreie Sensoren auch direkt an bewegten Teilen oder in hermetisch abgeschlossener Umgebung nutzen, zum Beispiel zum Messen von Durchfluss, Druck und Temperatur von Flüssigkeiten oder Gasen.

Die Qualitätsüberwachung dient dazu, den gesamten Produktionsprozess zu kontrollieren und die gewünschten Eigenschaften des Endprodukts anhand verschiedener Parameter sicherzustellen. Hierbei ist es nötig, Umweltfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und Luftqualität, Prozessfaktoren wie Geschwindigkeit, Kraft, Druck und Temperatur sowie Materialfaktoren zu überwachen.

Viele dieser Daten eignen sich für eine automatisierte Überwachung mithilfe von Sensoren. Dafür müssen sie sich allerdings nahtlos in bestehende Produktionsprozesse einfügen und dürfen weder spezielle Schulungen erfordern noch Folgekosten im laufenden Betrieb verursachen. Hier bietet die Integration von energieautarken und damit wartungsfreien Sensoren entscheidende Vorteile: Sie können beispielsweise in hermetisch abgeschlossenen Umgebungen wie Rohrleitungen zur Messung von Durchfluss, Druck und Temperatur von Flüssigkeiten oder Gasen eingesetzt werden und dort die Umgebungsbedingungen zur Energiegewinnung nutzen.

Zustandsbasierte Wartung mit batterielosen Sensoren

Eck-Daten

Die makroökonomische Energieversorgung setzt zunehmend auf regenerative Quellen wie Sonne oder Wind. Diese Form der Energiegewinnung aus der Umgebung findet sich aber ebenso in Mikrotechnologie-Systemen. Energy Harvesting ist eine Methode, für funkbasierte Geräte Energie zu gewinnen und soll zusätzliche Energie für Iot- und IIoT-Anwendungen liefern, die Daten per Funk zu übermitteln. Im Wesentlichen wird die Energie aus den Quellen Bewegung, Licht und Temperatur gewonnen. Wie die Technologie im Detail funktioniert und wie sich damit batterielose Geräte realisieren lassen, erläutert Enocean im Beitrag.

Neben dem Produkt gilt es auch die Maschinen für einen reibungslosen Produktionsprozess zu überwachen. Diese unterliegen oft hohem Verschleiß, daher sind eine frühzeitige Identifikation von Problemen sowie entsprechende Gegenmaßnahmen wichtige Voraussetzungen für eine kontinuierliche Qualitätssicherung und zum Schutz vor Produktionsausfällen.

Ein grundlegendes Problem der Wartungsplanung besteht in der Berechnung der Intervalle zwischen jeder Wartung. Auf der einen Seite muss die Zeit zwischen den Wartungsterminen möglichst kurz sein, um eventuelle Abweichungen vor dem Auftreten eines größeren Problems zu erkennen. Auf der anderen Seite sind mit jeder Wartung hohe Kosten für Personal und stillstehende Maschinen verbunden.

In vielen Fällen ist es durch Überwachung einfacher Parameter möglich, wertvolle Informationen zu gewinnen. So kann beispielsweise ein Temperaturanstieg ein Hinweis auf höhere Reibung und damit auf Verschleiß sein. Ein weiterer Parameter ist Schall. Erfahrene Mitarbeiter können Verschleiß an Maschinen oft schon anhand abweichender Geräusche erkennen. Vibrationen spielen ebenfalls eine Rolle, da die Kombination von Verschleiß und Reibung häufig zu Asymmetrien in der Maschinengeometrie führt, die sich insbesondere bei rotierenden Maschinen durch Vibrationen äußern. Für all diese Messprozesse lassen sich Sensoren einsetzen.

In der Fertigung ermöglicht das Internet der Dinge eine deutlich effizientere, flexiblere und individualisierte Produktion. Mithilfe von Sensoren, die mit einer intelligenten IoT-Plattform vernetzt sind, kann sogar ein digitaler Zwilling entstehen, also ein genaues virtuelles Abbild einer Maschine über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg. Auch im Gebäude schreitet die Digitalisierung rasch voran. Hier entsteht ein digitaler Gebäude-Zwilling, der den genauen Nutzungsbedarf virtuell abbildet. Das führt zu automatisierten Dienstleistungsprozessen im Facility Management, höheren Energieeinsparungen und zu mehr individuellem Wohlbefinden der Nutzer. Eines ist für Industrie wie Gebäude unerlässlich: batterielose Funksensoren.