Das Internet der Dinge (IoT) wächst rasant, mit Milliarden von vernetzten Geräten, die bis zum Ende des Jahrzehnts erwartet werden. Diese Verbreitung stellt jedoch eine große Herausforderung dar: Wie können all diese Geräte auf nachhaltige und effiziente Weise mit Strom versorgt werden?
Die Antwort könnte im Energy Harvesting liegen, einem Verfahren, bei dem Energie aus der Umgebung gesammelt wird, um elektronische Geräte mit Strom zu versorgen. Dieser Artikel erläutert, wie Energy Harvesting das IoT revolutionieren kann, indem es eine kontinuierliche und nachhaltige Energieversorgung sicherstellt.
Was ist Energy Harvesting?
Energy Harvesting bezeichnet alle Methoden, mit denen kleine Energiemengen aus Umgebungsquellen wie Licht, Wärme, Vibrationen, Radiowellen oder Bewegung gesammelt werden können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die von Batterien oder dem Stromnetz gespeist werden, wird die gesammelte Energie direkt gespeichert oder zum Betrieb von Geräten mit geringem Stromverbrauch verwendet.
Wie funktioniert ein IoT-Sensor mit Energy Harvesting?
Die Funktionsweise eines IoT-Sensors, der durch Energy Harvesting betrieben wird, beruht auf mehreren Schlüsselschritten, die das Sammeln, die Verwaltung und die Nutzung von Energie beinhalten, um den Betrieb zu gewährleisten. Hier ist ein Überblick über die Funktionsweise :
1. Energiegewinnung
Der Sensor enthält ein Energiegewinnungsmodul, das so ausgelegt ist, dass es Energie aus der Umgebung von einer oder mehreren Quellen aufnimmt:
- Solarenergie: Photovoltaische Zellen fangen das Umgebungslicht ein, das häufig für Außenkollektoren verwendet wird.
- Vibrierende oder mechanische Energie: Ein piezoelektrisches Gerät wandelt Vibrationen in elektrische Energie um, z.B. von laufenden Maschinen.
- Thermische Energie: Ein thermoelektrischer Generator wandelt einen Temperaturunterschied in elektrischen Strom um.
- Elektromagnetische Energie: Antennen nehmen die Energie von Radiowellen (Wi-Fi, RF) auf und wandeln sie in Elektrizität um.
2. Energiespeicherung und -management
Die zurückgewonnene Energie ist in der Regel gering und schwankt. Sie wird daher in einem Gerät mit geringer Kapazität gespeichert, wie z.B. :
- Ein Superkondensator für schnelle und kurze Entladungen.
- Eine kleine wiederaufladbare Batterie, um Energie über einen längeren Zeitraum zu speichern.
Eine Energiemanagementschaltung (PMU – Power Management Unit) reguliert diese Energie und stellt sicher, dass sie optimal gespeichert und bei Bedarf effizient an die Komponenten des Sensors abgegeben wird.
3. Zyklischer Betrieb (Duty Cycling)
- Schlafphase (Sleep Mode): Der Sensor bleibt inaktiv, um Energie zu sparen.
- Periodisches Aufwachen: Wenn genügend Energie akkumuliert wurde, wacht der Sensor auf, um seine Aufgaben auszuführen.
- Messwertaufnahme: Der Sensor sammelt Daten (z.B. Temperatur, Vibration, Luftqualität).
- Verarbeitung und Kommunikation: Die Daten werden lokal verarbeitet und dann über ein Kommunikationsprotokoll mit geringem Stromverbrauch (wie LoRa, Sigfox, Zigbee) an ein Gateway oder einen entfernten Server übertragen.
- Rückkehr in den Standby-Modus: Wenn die Aufgaben erledigt sind, kehrt der Sensor in den Standby-Modus zurück, um Energie zu sparen.
4. Energieoptimierung
Um die Effizienz zu maximieren, verwendet der Sensor Komponenten, die für einen niedrigen Verbrauch optimiert sind:
- Mikrocontroller mit sehr geringem Stromverbrauch: Die in diesen Geräten verwendeten Mikrocontroller (MCUs) sind so konzipiert, dass sie im aktiven Modus ein Minimum an Energie verbrauchen und noch weniger im Standby-Modus.
- Niedrigenergie-Kommunikationsmodule: Es werden drahtlose Technologien verwendet, die möglichst wenig Energie verbrauchen (BLE, NB-IoT, LoRa), mit Protokollen, die für kurze Übertragungen optimiert sind.
Der Einfluss von Energy Harvesting auf das IoT
Energy Harvesting ist eine vielversprechende Technologie für das IoT, aber sie ist noch nicht sehr weit verbreitet, zumindest nicht flächendeckend. Ihr Einsatz bleibt sehr gezielt in Fällen, in denen die Autonomie der angeschlossenen Objekte kritisch ist. Dennoch bietet diese Methode der autonomen Stromversorgung viele Vorteile für das IoT, was in den nächsten Jahren zu seiner Entwicklung beitragen dürfte.
1. Verlängerte Autonomie der Geräte
Eine der größten Einschränkungen für IoT-Geräte ist die begrenzte Lebensdauer der Batterien. Durch Energy Harvesting kann die Batterielebensdauer erheblich verlängert werden und einige Geräte können sogar völlig autonom sein.
2. Reduzierung der Wartungskosten
Der Austausch von Batterien in IoT-Geräten, die sich oft an schwer zugänglichen Orten befinden, kann kostspielig und komplex sein. Durch die Nutzung der Umgebungsenergie können die Kosten und der Aufwand für die Wartung drastisch reduziert werden.
3. Anwendungen in feindlichen Umgebungen
Der Austausch von Batterien in IoT-Geräten, die sich oft an schwer zugänglichen Orten befinden, kann kostspielig und komplex sein. Durch die Nutzung der Umgebungsenergie können die Kosten und der Aufwand für die Wartung drastisch reduziert werden.
4. Ökologische Nachhaltigkeit
Durch die Verringerung der Abhängigkeit von chemischen Batterien und die Nutzung erneuerbarer Energiequellen trägt Energy Harvesting zur Reduzierung von Elektronikschrott und zur Förderung einer umweltfreundlicheren Technologie bei.
Herausforderungen und Lösungen
Trotz seiner vielen Vorteile ist das Energy Harvesting nicht ohne Herausforderungen. Die Menge der zurückgewonnenen Energie kann gering und variabel sein und erfordert innovative Lösungen, um diese Energie effizient zu speichern und zu verwalten.
1. Speicherung von Energie
Superkondensatoren und wiederaufladbare Batterien werden zur Speicherung der zurückgewonnenen Energie verwendet, aber ihre Kapazität und Lebensdauer müssen optimiert werden.
2. Energiemanagement
Um die Effizienz der Umwandlung und Nutzung der geernteten Energie zu maximieren, sind ausgeklügelte Energiemanagementschaltungen erforderlich.
3. Miniaturisierung
Geräte zur Energierückgewinnung müssen klein genug sein, um in IoT-Geräte integriert werden zu können, ohne deren Leistung oder Kosten zu beeinträchtigen.
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Innovationen und Zukunftsperspektiven
Die jüngsten Fortschritte in der Material- und Technologieentwicklung versprechen, diese Herausforderungen zu überwinden. Beispielsweise eröffnen piezoelektrische und triboelektrische Nanogeneratoren neue Möglichkeiten für die Erfassung kinetischer Energie in kleinem Maßstab. Ebenso bieten Fortschritte bei flexiblen photovoltaischen Materialien und thermoelektrischen Geräten effizientere und besser integrierbare Lösungen für das Energy Harvesting.
Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Energy Harvesting noch eine Nische ist, aber zunehmend in Anwendungen erforscht wird, in denen Autonomie und geringere Wartungskosten von entscheidender Bedeutung sind. Seine Verbreitung wird von der technologischen Reife und sinkenden Kosten abhängen, aber die aktuellen Trends deuten auf eine zunehmende Akzeptanz hin, insbesondere für autonome Sensoren im industriellen IoT und in rauen Umgebungen.
Reda ARIFI
Elektronischer Ingenieur
Reda hat einen Abschluss in Mikroelektronik und Automatik (MEA) von Polytech Montpellier. Während seines Abschlusspraktikums bei ELA Innovation entwickelte er einen Prototypen eines Multitechnologie-IoT-Trackers, der Bluetooth Low Energy und LoRaWAN kombiniert, eine Erfahrung, die seine erfolgreiche Integration in das Team erleichterte. Heute ist er aktiv an der Entwicklung neuer Beacons und IoT-Lösungen beteiligt, sowohl im Bereich des elektronischen Designs als auch der eingebetteten Software. Er ist neugierig und begeistert von neuen Technologien und interessiert sich besonders für vernetzte Objekte und ihre Anwendungen in der Industrie.
