Wie kann man Strom aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen erzeugen? Das Erlanger Fraunhofer-Institut IIS arbeitet an Lösungen für zahlreiche Einsatzgebiete.
Eine dieser Energieerntetechniken (sogenanntes Energy Harvesting) ist die Thermoelektrik: Bei diesem altbekannten Prinzip werden in einem Piezoelement aus Wismut und Tellurit Ladungsträger getrennt. Bis heute hat das (fast) niemand wirklich industriell angewandt. Doch Forscher vom Erlanger Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) wollen das nun ändern und stellen die Technologie auf Messen wie der Embedded World in Nürnberg vor, der nach eigenen Angaben größten internationalen Fachmesse ihrer Art.
Dr.-Ing. Peter Spies legt seine flache Hand auf einen unscheinbaren schwarzen Klotz mit silbrigem Deckel. Sofort steigen an einer in der Nähe stehenden Großanzeige drei Zahlen: Spannung, Strom, Temperatur. Was wie Zauberei aussieht, ist tatsächlich „Energy Harvesting“. In diesem Fall wird Körperwärme zur Stromproduktion ausgenutzt. Im Temperatursensor-Klotz selbst befindet sich ein kleiner Stromspeicher: Auch dessen Energieinhalt wird vom Thermogenerator an der Oberseite gewonnen. So können die Messwerte auch dann per Funk übertragen werden, wenn keine Hand den Sensor wärmt.
Dort, wo es um kleinste elektronische Bauelemente in Geräten jeder Größe geht, war „Energie“ bislang kaum ein Thema. Doch nun stellen sich selbst Hersteller von Embedded Systems dem Trend Energieeffizienz. Schließlich werden riesige Strommengen dafür aufgewendet, Verlustwärme aus Gehäusen oder Gebäuden zu transportieren: Warum nicht einfach den eingesetzten Strom optimal ausnutzen und weniger Verluste produzieren?
Ein anderes Beispiel: Verbrauchsmessgeräte an Heizkörpern. Wo gemessen werden soll, sind meist keine Stromleitung oder Steckdose vorhanden. Alle paar Jahre muss eine Servicekraft die Batterien im Messgerät austauschen: Ein erheblicher Personalaufwand für die Ablesefirma, erklärt Spies. Warum also nicht mit etwas Heizkörperwärme Strom in einem kleinen schwarzen Kasten produzieren, dem „Smart Energy Gateway“. Das Gerät könnte noch viel mehr, erläutert der Fraunhofer-Ingenieur. Der Kasten vernetzt die Energiezähler für Wärme, Wasser und Strom und sorgt dafür, dass aus den aktuellen Verbräuchen und Tarifinformationen die richtige Steuerung zur Effizienzsteigerung eingeleitet wird.
Stromversorgung für Sensoren
Energy Hervesting klappt nicht nur mit Wärme, sondern auch mit vielen anderen Energien, die in der Umwelt zur Verfügung stehen. Auf Windkraft oder Sonnenlicht setzen Sensor- und Funkhersteller am häufigsten. Aber was, wenn auf den Sensor an der Unterseite einer Brücke kein Licht trifft und trotzdem Luftfeuchte, Temperatur, Windstärke zu messen sind? „Dann nutzen wir die Vibration der Brücke aus. Die Resonanzfrequenz beträgt drei bis vier Hertz“, erklärt Spies, das reiche zur Stromversorgung des Sensors.
Dasselbe Prinzip, nämlich Beschleunigung in Strom zu verwandeln, funktioniert auch an Bahn- und Schiffs-Containern, deren Standort mit den Systemen übermittelt werden könnte. Oder an Ölbohrinseln wird mit „Wackelenergie“ festgestellt, ob sie zu sehr vibrieren. Für Energy Harvesting gäbe es also genügend Anwendungen, ist Spies überzeugt. Allerdings seien Vorhersagen schwierig, wann die Technologie den Durchbruch schaffen kann.
