Energy Harvesting: Auf der Suche nach Möglichkeiten der Energie-Umwandlung

| Autor / Redakteur: Lorandt Fölkel * / Thomas Kuther

Leistungsbedarf eines Sensors: Mit dem Diagramm lässt sich der komplette Energiebedarf des Systems ermitteln.
Leistungsbedarf eines Sensors: Mit dem Diagramm lässt sich der komplette Energiebedarf des Systems ermitteln. (Bild: Würth Elektronik eiSos)

In dieser vierteiligen Reihe gibt Lorandt Fölkel Denkanstöße zu Energy Harvesting im Mikro- bis Nanowattbereich. Der Autor tritt bei Würth Elektronik eiSos als Technologiebotschafter „#askLorandt“ auf.

Energie kann nicht vernichtet werden, sie wird nur in eine andere Form umgewandelt. Diese grundlegende Aussage des Energieerhaltungssatzes sollte uns Entwicklern Ansporn genug sein, nach neuen Möglichkeiten der Umwandlung und Anwendungen des Energy Harvesting zu suchen. Doch meist entwickeln wir Technik nach dem Prinzip: Verlorene Energie muss extern ersetzt werden.

Energierückgewinnung hat heutzutage schon viele mögliche Anwendungen: zum Beispiel die Wärmerückgewinnung in der Klimatechnik, die Bremsenergierückgewinnung bei der Rekuperation oder die Erzeugung von elektrischer Energie in einem Stoßdämpfer mittels eines linearen Generators. Auch wenn es sich hier um größere und damit wirtschaftlich lukrativere Leistungsbereiche handelt, geht die Entwicklung schon in die richtige Richtung. Doch man kann nicht nur Energie innerhalb eines statischen Systems wiedergewinnen, sie kann auch aus der Umgebung „geerntet“ werden. Mit Photovoltaik wird das bereits flächendeckend umgesetzt. Dennoch bleiben viele und bisher kaum genutzte Chancen im Low-Power-Bereich absolut ungenutzt. Wärmeunterschiede, Vibrationen, Luftströmungen, Radiowellen – alles Energielieferanten und damit viele Möglichkeiten Energie zu gewinnen, um beispielsweise schwer zugängliche Sensoren autark zu machen.

Folge 1: Wie viel Energie brauchen wir hier denn wirklich?

Elektronik und Technik etabliert sich immer mehr in allen Lebensbereichen und wenn es nach den Internet-of-Things-Enthusiasten geht, stehen wir hier erst am Anfang. Alles vernetzt, alles intelligent. Unabhängig davon, ob wir mit IoT den Komfort für Konsumenten steigern wollen, nachhaltige Smart-Grid-Lösungen anstreben oder die Smart Factory aufbauen: Viele Sensoren und drahtlose Kommunikationsteilnehmer müssen entwickelt werden. „Drahtlos“ – das ist das Stichwort. Was man ohne Datenkabel betreibt, möchte man auch nicht am Stromnetz hängen haben. Also: „Bauen wir eben eine Batterie ein!“

Aber muss das wirklich sein? Wer sich anschaut, was so manche Komponente tatsächlich an Strom benötigen, sollte auf der Suche nach einer effizienten Lösung eigentlich selbst auf die Frage kommen: Muss ich der von mir entwickelten Applikation wirklich eine Batterie hinzufügen und mir damit eine begrenzte maximale Betriebsdauer und ein Wartungsproblem einhandeln? Von umwelttechnischen Aspekten mal ganz abgesehen. Oder kann die Energie woanders herkommen?

Hier müssen wir alle aktiv für Energy Harvesting werben. Im Gegensatz zur großtechnischen Energiegewinnung ist die Frage nach dem Wirkungsgrad beim Energy Harvesting auf Platinenebene zu vernachlässigen. Warum? Weil wir es beim Betrieb kleiner und kleinster elektronischer Schaltungen zunehmend mit Bauteilen zu tun haben, deren Energiebedarf im Mikro- bis Nanowattbereich liegt. Dass zum Beispiel ein thermoelektrischer Generator nur ein Zehntel der Ausbeute einer gleich großen Solarzelle hat, stört nicht. Seine 10 mW/cm2 reichen für den Betrieb eines Bluetooth-Low-Energy-Moduls (BLE) vollkommen aus. Ein aktiver RFID-Tag oder ein UKW-Empfänger brauchen zum Beispiel nur 1 mW.

Der immer geringer werdende Energiebedarf von elektronischen Geräten ist ein Trend und viele Anwendungen sind bereits alltäglich. Es gibt Hörgeräte, die nur 100 µW brauchen, elektronische Uhren, die 1 µW aus einer Minisolarzelle beziehen. Quarzoszillatoren kommen gar mit 10 nW aus. Der Energiebedarf eines Mikrocontrollers im Ruhemodus (deep sleep mode) liegt auch nicht höher.

Fazit: Für vieles braucht es keine besonders ergiebige Energiequelle, sondern nur einen Entwickler, der sich traut andere Wege zu gehen. Lasst uns Elektronik bauen, die scheinbar nur von Luft und Liebe lebt!

Die erste Aufgabe ist dabei, den kompletten Energiebedarf des geplanten Systems zu ermitteln. Hierbei muss auf Stromspitzen geachtet werden. Diese müssen gepuffert sein, damit sie den tatsächlichen Energiebedarf nicht verfälschen. Das Bild oben zeigt das Beispiel eines Sensors, wobei sich die benötigte Leistung folgendermaßen berechnen lässt:

DC = Duty Cycle, tp,

ti = Impulsdauer.

In der nächsten Folge begeben wir uns auf die Suche nach „freier Energie“.

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Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 18/2019 (Download PDF)

* Lorandt Fölkel ist Field Application Engineer und Technologiebotschafter bei der Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG in Waldenburg.

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