Micro Energy Harvesting: Energieernte per LED, aus Blut oder mit Hochfrequenz

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Die Energieernte aus der Umwelt zum Betrieb von Kleingeräten beschäftigt Forscher und Hersteller schon lange. Außer in der Gebäudeautomation gab es bislang jedoch nur wenige praxistaugliche und ökonomisch sinnvolle Anwendungen. Aktuelle Entwicklungen bei den einzelnen Komponenten ermöglichen immer besser abgestimmte elektronische Systeme, die das Micro Energy Harvesting jetzt voran bringen könnten.

Beim Micro Energy Harvesting werden sehr kleine Mengen an Energie aus der Umgebung gewonnen, gespeichert und in nutzbare elektrische Energie umgewandelt. So lassen sich Kleingeräte mit einer Leistungsaufnahme von wenigen Mikrowatt – ganz oder teils – energieautark betreiben. Diese Form der Energieernte eignet sich besonders für Anwendungen mit Funkschnittstellen wie Sensoren und Aktoren wie sie in der Gebäudeautomatisierung zum Einsatz kommen. Per Energy Harvesting lassen sich beispielsweise Lampen kabellos ein- und ausschalten. Ein Lichtschalter von Enocean bezieht aus der Bewegungsenergie des drückenden Fingers genug Energie, um per Funk den Befehl „Ein“ oder „Aus“ zur Lampe zu senden. Die Harvester nutzen den piezoelektrischen Effekt oder elektrodynamische Wandler nach dem Prinzip der Induktion. Heizkörperstellventile gewinnen Energie aus der Differenz zwischen der Raumtemperatur und der Vorlauftemperatur des Heizkreises. Hersteller Micropelt bietet bereits seit zehn Jahren Elemente an, die eine 400-fach höhere Spannung erzeugen als herkömmliche Seebeck-Elemente.

Ein ausgeklügeltes System

Darüber hinaus kam Micro Energy Harvesting – abgesehen von einigen verspielten Consumer-Applikationen wie LED-Duschköpfen oder Leuchtsohlenschuhen – bislang nicht so recht in Schwung. Trivial ist die Sache nämlich nicht: Zunächst einmal muss genug Energie aus der Umwelt geerntet und dann verlustarm in nutzbare Versorgungsspannung umgewandelt werden. Dabei hängen die Anforderungen an das System auch davon ab, wie oft beispielsweise Messdaten übermittelt werden. Bei Lichtschaltern sind die Abrufintervalle sehr groß – der Harvester hat damit genügend Zeit um beispielsweise einen kleinen Akku zu laden. Im industriellen Umfeld sind die Zyklen oft kürzer und Messdaten müssen im Sekundentakt übertragen werden. Die Anforderungen an das System sind dann entsprechend höher.

In jedem Fall dürfen die Bauteile selbst dabei nur möglichst wenig Energie verbrauchen. Denn Energy Harvesting funktioniert als System: Der DC/DC-Wandler wandelt die schwankende elektrische Energie aus dem Harvester in eine stabil geregelte, nutzbare Gleichspannung um. Ein Akkumulator oder Superkondensator wie er unter anderem von Murata Electronics angeboten wird speichert die gesammelte Energie lokal. Der Mikrocontroller sorgt dafür, dass der Verbrauch stets geringer ist als die geerntete Energie. Er steuert die Signalaufnahme, Datenübertragung oder mögliche Aktuatoren. Unternehmen wie Texas Instruments bieten dazu spezielle Mikrocontroller für den Bereich Energy Harvesting. Hinzu kommt eine Energiemanagement-Komponente sowie – in funkbasierten Systemen – der Low Power Radio Frequency (LPRF)-Funksender bzw. -empfänger. Ein energiesparender Funkstandard dazu ist ZigBee 3.0 mit dem speziell für Micro Energy Harvesting entwickelten Zigbee Green Power.

Für die weitere Entwicklung des Energy Harvesting müssen die Wandler noch effizienter werden, die Speicher leistungsfähiger, die Chips energieeffizienter und das Energiemanagement intelligenter. Um wettbewerbsfähig mit batteriebetriebenen Geräten zu sein, müssen Harvester-Systeme zudem preisgünstiger werden.

LEDs und Photodioden als Solarzellen-Alternative

In jüngster Zeit versuchte eine Reihe von Projekten, die vorhandenen Defizite zu beheben. Sie befinden sich noch im Labor- oder Prototypstadium, verfolgen aber vielversprechende Ansätze. So baute die Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften Funksensoren, die statt mit teuren Solarzellen mit deutlich günstigeren LEDs und Photodioden Energie ernten. LEDs sind Leuchtdioden, also Halbleiterbauteile, die Licht emittieren, aber auch Licht einfangen können. Zwischen den Anschlüssen des Bauteils fließt ein winziger Strom. Die erzeugten Energiemengen von wenigen Mikrojoule reichen aus, um leistungsarme Geräte zu versorgen. Photodioden liefern mehr Energie als LEDs, sind aber teurer.

Superkondensator optimal für Energy Harvesting

Mikro-Superkondensatoren gelten aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte und ihrer langen Lebensdauer seit Jahrzehnten als vielversprechende Alternative zu Batterien und Akkus. Aufgrund ihrer niedrigen Energiedichte – also geringen Speicherkapazität – konnten sie sich bislang aber nicht durchsetzen. Für Energy Harvesting sind sie jedoch optimal geeignet, denn sie können eine größere Anzahl an Ladezyklen durchlaufen und höhere Ströme bewältigen. Somit lasen sie sich schneller laden und entladen als herkömmliche Akkus. Und auch in Sachen Energie gab es Fortschritte: Französische und kanadische Wissenschaftler haben Elektroden in einer hochporösen Struktur aus Gold mit RutheniumOxid entwickelt, die elektrochemischen Kondensatoren eine Energiedichte von 0,5 Joule pro Quadratzentimetern ermöglichen. Das entspricht dem tausendfachen bisher verfügbarer Technologien und damit in etwa der Energiedichte einer Lithium-Ionen- Mikrozellen-Batterie. Dabei haben die neuen Superkondensatoren jedoch eine höhere Leistungsdichte, längere Lebensdauer und höhere Robustheit gegenüber Temperaturschwankungen. So kommen Mikro-Superkondensatoren zunehmend auch als Energiespeicher für Sensoren und andere mikroelektronische Komponenten in Frage.

Hochfrequenz-Energieernte

In der Lebensmittel- und Pharmaindustrie müssen Kühlketten ständig überwacht werden. Die Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften hat daher ein Sensoretikett entwickelt, das Temperatur und Luftfeuchtigkeit aufzeichnet. Das biegsame Sensor-Label lässt sich auf jeder Verpackung anbringen und per RFID-Leser auslesen. Im Innern des nur 0,8 Millimeter hohen Etiketts befindet sich ein winziger Lithium-Ionen-Akku, der während des Auslesevorgangs drahtlos per Hochfrequenz-Energy-Harvesting seine Energie bezieht: Bei jeder Interaktion mit einem UHF-RFID-Lesegerät lädt sich der Akku automatisch. Der Akku hat eine Kapazität von nur einem Milliampere – genug für einen Monat Betrieb. Die Technologie findet auch in anderen Bereichen Anwendung. So ist beispielsweise der deutsche Personalausweis seit November 2010 mit einem 13,56 MHz RFID-Chip ausgestattet, der biometrische Daten und Personaldaten speichert.

Strom aus Blut, Nerven und Viren

Wissenschaftler aus dem Inselspital Bern bauten den Prototypen einer winzigen Kaplan-Turbine, die aus dem Blutstrom genug Energie gewinnt, um einen Herzschrittmacher energieautark zu betreiben. Das Herz pumpt kontinuierlich mit mehr als 1 Watt Blut durch den Kreislauf. Ein Herzschrittmachers braucht aber nur 5 Mikrowatt. Das torpedoförmige Implantat hat einen Durchmesser von 6,2 Millimeter. Der Blutstrom bringt ein Schaufelrad zum Rotieren, das per Magnetkupplung einen Mikrogenerator antreibt.

Am Massachusetts Institute of Technology in Boston wurde eine Hörprothese entwickelt, die elektrische Signale aus dem Ohr abgreift, um eine Minibatterie aufzuladen. Die Energie stammt aus Nervenströmen. Andere Forscher beschäftigen sich mit Energy Harvesting aus Viren, die einen Seebeck-Effekt zeigen.

Stoff erntet Energie aus Licht und Bewegungen

Das Georgia Institute of Technology entwickelte einen Stoff, der die Energiegewinnung aus zwei Quellen kombiniert. In die Fäden des Stoffes sind triboelektrische Nanogeneratoren integriert, die Energie aus Reibung zwischen zwei Materialien gewinnen. Zum anderen produzieren drahtförmige Solarzellen Energie aus der Strahlung der Sonne. Die vom Stoff produzierten kleinen Energiemengen reichen aus, um elektronische Kleingeräte wie Sensoren zu betreiben. Der Stoff könnte künftig in Kleidung, Zelten und anderen Textilen eingesetzt werden.

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