Edge-IoT-Geräte wie Sensoren, Aktoren, RFID-Tags und Beacons sind in der Regel mit Bleiakkus ausgestattet. Bis 2025 könnte die Zahl der batteriebetriebenen IoT-Geräte weltweit 23 Milliarden erreichen.
Für IoT-Anbieter und Unternehmen, die sich in der digitalen Transformation befinden, bedeutet das drei Sachen:
- Batterien müssen regelmäßig aufgeladen oder ausgetauscht werden, was die Wartungskosten der Geräte erhöht.
- Batterien enthalten Schwermetalle wie Quecksilber, Blei, Lithium und Nickel. Diese Stoffe können bei falscher Entsorgung die Umwelt belasten.
- Für die Batterieproduktion benötigten Materialien werden immer knapper.
Um ein schnelles Entladen der Batterie zu vermeiden, nutzen angeschlossene Geräte beim Senden von Daten an das Gateway oder die Cloud energieeffiziente Kommunikationstechnologien wie Bluetooth 5 und MQTT. Eine weitere Möglichkeit ist Ruhemodus im Leerlauf.
Dennoch haben Batterien eine begrenzte Lebensdauer, was Unternehmen oft daran hindert, IoT-Lösungen an abgelegenen und schwer zugänglichen Orten ohne Stromleitungen einzusetzen. Dieses Problem wollen Forscher mit Hilfe von Energy Harvesting lösen.
Energy Harvesting im IoT
Energy Harvesting ist ein Prozess, bei dem Energie aus einer oder mehreren erneuerbaren Energiequellen - z.B. Licht, Schall, Wärme oder Bewegung - in Elektrizität umgewandelt wird.
Energy Harvesting-Systeme bestehen aus drei funktionalen Komponenten:
- Wandler - wandeln die aus einer Umgebungsquelle gewonnene Energie um
- Schnittstellenschaltungen - entziehen den Wandlern die Energie
- Energiespeicher und energieverbrauchende Geräte
Im IoT geht es beim Energy Harvesting eher um die Energieerzeugung im Mikromaßstab, im Gegensatz zu Windturbinen und Solarkraftwerken, die über 5% der in Deutschland verbrauchten Energie erzeugen. Um den Betrieb aufrechtzuerhalten, sollten die Wandler regelmäßig mindestens einige Milliwatt Leistung aus ihrer Umgebung abführen.
Mit dem Energy Harvesting können in einem Gewächshaus installierte Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren die Solarenergie lokal nutzen, um unbegrenzte Zeit im Betrieb zu bleiben - und das alles ohne kostspielige Verkabelung und Batteriewechsel. In ähnlicher Weise können smarte Fitnesstracker die kinetische Energie von Sportlern nutzen, um sich selbst aufzuladen.
Energiequellen aus der Umgebung, die im IoT eingesetzt werden
Solarenergie
IoT-Anbieter wandeln das Licht - oder die Sonnenstrahlung - mit Hilfe von Photovoltaikzellen (sowohl im Innen- als auch im Außenbereich) in Energie um. Mehrere Zellen können über eine Fläche verteilt werden, um genügend Strom für angeschlossene Geräte bereitzustellen. Je mehr Licht auf eine Zelle trifft, desto mehr Strom kann sie produzieren.
Wenn Solarzellen direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind, können sie über 130 Tausend Lux absorbieren, was 1 kW pro Quadratmeter entspricht. In Wohnhäusern und Bürogebäuden variiert das Beleuchtungsniveau im Bereich von 30-50 Lux, was die Leistungsabgabe auf Mikrowatt reduziert.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelte ein Forscherteam der Universität Uppsala farbstoffsensibilisierte Solarzellen, die Energie aus LED- und Leuchtstofflampen in Innenräumen gewinnen. Diese Zellen können bis zu 34% des sichtbaren Lichts in Elektrizität umwandeln, die akkumuliert und im Gebäude eingesetzten Sensoren zugeführt werden kann.
Radiofrequenz (RF)-Energie
Die Energie kann aus Wi-Fi- und Zellularnetzen, Satellitenstationen und Funkmasten gewonnen werden. RF-Harvesting-Systeme enthalten in der Regel Empfangsantennen und Gleichrichterschaltungen.
Zu den frühen Beispielen für RF-Energy-Harvester gehört die Freevolt-Technologie von Drayson Technologies. Die erste kommerzielle Anwendung von Freevolt ist der CleanSpace-Tag - ein Sensor zur Überwachung der Luftqualität, der derzeit bei Amazon zum Kauf angeboten wird. Die M3 Series System-on-a-Chip (SoC)-Lösungen von Atmosic kombinieren stromsparende Bluetooth 5-Konnektivität, Weckmodus und kontrolliertes RF-Energy-Harvesting zur Verlängerung der Batterielebensdauer in Edge-IoT-Geräten.
Kinetische Energie
Diese Technik beinhaltet die Akkumulation von Energie durch piezoelektrische Materialien, die als Reaktion auf mechanische Stimulation, wie z.B. Vibration oder Bewegung, die Elektrizität erzeugen. Die Versorgung von Sensorgeräten mit kinetischer Energie kann für verschiedene Bereiche bahnbrechend sein, darunter Versorgungsbranche, industrielle Fertigung und Verbraucherelektronik.
Forscher der Cranfield University (Großbritannien) setzen Systeme zur Gewinnung kinetischer Energie in Offshore-Windparks ein. Die Wissenschaftler wandeln die nahezu konstanten Schwingungen der Windturbinen in die Elektrizität um. Sie wird dann zu Sensoren zur Erosionserkennung zugeführt, die auf dem Meeresboden rund um den Turbinensockel installiert sind.
Ein weiteres Beispiel stammt aus dem American Institute of Physics. Im vergangenen Jahr veröffentlichte das Team unter der Leitung von Professor Wei-Hsin Liao eine Forschungsarbeit über einen tragbaren Energy-Harvester, der am Knie einer Person befestigt werden kann. Während die Person läuft, kann das Gerät bis zu 1,6 Mikrowatt Leistung erzeugen. Das reicht, um Wearables wie GPS-Tracker und Geräte zur Gesundheitsüberwachung aufzuladen.
Thermische Energie
Die Gewinnung thermischer Energie ist ein Prozess der Umwandlung der Wärme von Motoren, Maschinen, dem menschlichen Körper oder Umweltressourcen in elektrische Energie. Zu diesem Zweck werden häufig thermoelektrische Generatoren auf der Basis von Wismut oder Blei-Tellurid verwendet. Abhängig von den physikalischen Eigenschaften des thermoelektrischen Materials und der Menge der verfügbaren Wärmeenergie können thermoelektrische Generatoren zwischen 20µW und 10mW pro Quadratzentimeter erzeugen.
Die Gewinnung thermischer Energie gilt als eine der vielversprechendsten Technologien, die die Energieeffizienz in industriellen Prozessen steigern. Heute gehen mehr als 30% der von Industrieunternehmen erzeugten Energie durch Abwärme verloren.
Zu den Beispielen solcher Lösungen gehören Mikrocontroller, Sensoren und Schnittstellenschaltungen von e-peas - einem belgischen Startup-Unternehmen, das Anfang des Jahres mit 8 Millionen Euro gefördert wurde.
IoT Energy Harvesting: Was ist zu berücksichtigen bei der Implementierung?
- Verhältnis von verbrauchter zu erzeugter Energie. Bei der Entwicklung von IoT-Lösungen mit eigener Stromversorgung sollten Unternehmen die verfügbaren Energiequellen untersuchen und berechnen, wie viel Energie ihre Geräte benötigen. Um die Batterielebensdauer zu verlängern oder Batterien ganz zu eliminieren, sollte die Menge der gewonnenen Energie den Leistungsbedarf des IoT-Geräts übersteigen, der zwischen 10 μWatt und 1 Watt schwanken kann.
- Höhere Produktionskosten. Im Unterschied zu Blei-Säure-Batterien sind Umgebungsenergie-Harvester kein billiges Massenprodukt. Außerdem ist es selten möglich, Energiegewinnungsmechanismen auf ein bestehendes Gerät aufzusetzen. Das bedeutet, dass IoT-Anbieter energieautarke Sensoren und Aktoren von Grund auf entwickeln müssen.
Da das Internet of Things allgegenwärtig wird, stehen die Chancen gut, dass der Markt bald von Edge-Geräten überflutet wird, die ähnliche Mikrocontroller und SoCs verwenden. Dies würde IoT-Anbietern die Möglichkeit geben, Energy Harvesting-Module standardmäßig in die Hardware-Komponenten zu integrieren. Angesichts der Tatsache, dass der globale Markt für Energy Harvesting im vergangenen Jahr 440,39 Millionen US-Dollar erreichte und derzeit mit einer CAGR von 10,91% wächst, klingt diese Annahme nicht so unrealistisch.
