Reiche Ernte

Energy Harvesting

In vielen Bereichen der Industrie bietet autarke Energieversorgung einen immensen Anwendungsvorteil. Eine Fachtagung nahm sich des Themas an, um es voranzubringen.

28. Mai 2014

In der heutigen hochtechnisierten Umwelt finden sich viele verteilte, eingebettete Sensornetzwerke – in der Fabrikautomatisierung, in Gebäuden, Fahrzeugen oder der Medizintechnik. Hier wird die Stromversorgung zum wachsenden Problem, Kabel oder Batterien sind zu aufwendig und genügen den steigenden Anforderungen nicht.

Darum rückt Energy Harvesting immer mehr in den Fokus. Diese Technik ermöglicht die Nutzung von Energie aus der direkten Umgebung eines eingebetteten Systems, um dieses energieautark und wartungsfrei zu betreiben – ohne kabel- oder batteriegebundene Versorgung. Das kann durch das Ausnutzen von Vibrationen, Schallwellen, Temperaturunterschieden oder Luftströmungen geschehen.

Genug Stoff für eine Fachtagung, die im April mit 30 Teilnehmern in Stuttgart stattfand.

»Wir haben das Programm der diesjährigen Tagung zweigeteilt, in einen ersten Tag mit Wissensvermittlung zu Generatoren, Speichern und elektronischem Power Management und einen zweiten Tag mit der Präsentation von Anwendungen sowie Produkten aus Industrie-, Haus-, Energie- sowie Fertigungstechnik«, sagt Prof. Dr. Peter Woias, Tagungsleiter und Inhaber des Lehrstuhls für Konstruktion von Mikrosystemen, Institut für Mikrosystemtechnik, an der Albert-Ludwigs-Universität in Freiburg.

Während der Fachtagung hat er besonders die offene Diskussion genossen: »Es gab sehr rege und kreative Diskussionsbeiträge von allen Teilnehmern und Vortragenden, nahe an realen Problemen und möglichen Applikationen, mit kritischer Würdigung der Nachteile energieautarker Systeme ebenso wie mit der klaren Herausstellung der Vorteile.« Echte wissenschaftliche Neuerungen könne ein Workshop dieser Art aber eher nicht erbringen. »Überraschend war allerdings für mich die große Bandbreite der Teilnehmer, ihr hohes Interesse und die stark wachsende Anzahl der Applikationen. Energy Harvesting ist definitiv bei den potentiellen Anwendern aus der Industrie angekommen.«

Für Prof. Woias steht Energy Harvesting ist in der industriellen Welt in einer sehr vielversprechenden Anfangsphase: »Wir sehen Beispielapplikationen und erste kommerzielle Produkte, die allerdings in ihrer Breite in den letzten Jahren zunehmen. Aktuell befindet sich ein energieautarkes Temperatursensor-System von ABB in der Produkteinführung, ein weiteres Beispiel ist die Vibrationsüberwachung an Elektromotoren.

Generell wächst die Zahl der Anfragen aus dem industriellen Sektor deutlich an.«

Das Potenzial von Energy Harvesting ist für den Wissenschaftler bei Weitem noch nicht ausgeschöpft: »Ich sehe zahlreiche Anwendungen in der Prozess- und Fabrikationsautomatisierung, im Automotive-Sektor oder im Anlagenbau. Das spiegelt auch in etwa die Anfragen wider, die wir aus dem Industriesektor erhalten.«

An seinem Lehrstuhl entstehen thermoelektrische Wandler für die Energiegewinnung aus Abwärme, piezoelektrische Vibrationswandler für das Ernten aus Schwingungen und Stößen sowie Mikro-Wärmekraftmaschinen, die über mehrere Stufen aus Wärme elektrische Energie gewinnen. Diese Forschung zu den Generatoren wird begleitet durch die Elektronikentwicklung zum Energy Management und Entwicklungen kompletter energieautarker Systeme. Das reicht vom Schrittzähler am Turnschuh bis zu Zugpassage-Detektoren fürs Bahnwesen.

Die Frage nach der Zukunft ist für Prof. Woias inzwischen recht klar zu beantworten: »Überall dort, wo energieautarke, eingebettete Systeme einen Gesamtvorteil erbringen und technisch realisierbar sind, werden wir diese Systeme sehen. Es geht nicht nur um Einsparungen bei Kabeln oder Batterien, ebenso wichtig sind längere Wartungsintervalle oder weniger Stillstand durch Kabelbruch, etwa wenn eine Leitung an einem beweglichen Fertigungsautomaten wegfallen kann.«

Dieser Gesamtnutzen ist für ihn die eigentliche langfristige Stärke der neuen Technologie und wird letztlich überzeugen.

Plattform im Einsatz

Ein Unternehmen, das schon tief im Thema drinsteckt, ist EnOcean aus Oberhaching. »Wir sind seit mehr als 12 Jahren im Energy Harvesting aktiv und einer der Vorreiter auf diesem Gebiet«, sagt Frank Schmidt, Chief Technology Officer und Mitbegründer von EnOcean. »Wir nutzen für unsere patentierte Funktechnologie miniaturisierte Energiewandler als Energiequelle.

Das ermöglicht Schalter- und Sensorlösungen ohne Kabel und Batterien.« Ein elektromechanischer Generator erzeugt dabei aus Bewegung Strom, miniaturisierte Solarzellen ernten das Innenlicht und Thermowandler gewinnen Energie aus Temperaturunterschieden.

Zusammen mit Funkmodul, En-ergiemanagement und zuverlässiger Funkkommunikation entsteht eine komplette Plattform für Gebäude und Industrieanlagen. Dazu gehören batterielose Schalter, intelligente Fenstergriffe, Temperatur-, Feuchte- oder Lichtsensoren oder Anwesenheitsmelder. »Unsere Produkte sorgen für mehr Energieeffizienz, Komfort und Sicherheit.«

Von der Fachtagung war Frank Schmidt sehr angetan: »Eine Veranstaltung wie diese bringt Vertreter aus Industrie und Forschungseinrichtungen zusammen. Dank dieser attraktiven Mischung gibt sie einen spannenden Einblick in die aktuellen Entwicklungen und Fortschritte der Technologie über verschiedene Branchen hinweg. Entsprechend abwechslungsreich waren die Vorträge und die Gespräche.«

Von Michael Kleine

Erschienen in Ausgabe: 04/2014