Bei den weltweiten Bemühungen um die Dekarbonisierung stehen erneuerbare Energien an vorderster Front. Mit sauberen Energiequellen, die keinen Kohlenstoff enthalten, haben Ingenieure einen Weg für eine unbegrenzt verfügbare, dezentrale Energieversorgung gefunden, die die Umwelt nicht belastet. Doch angesichts der enormen technischen Herausforderungen und der großen Diskrepanz zum heutigen Stand ist die kommerzielle Realisierbarkeit eines Stromnetzes, das vollständig auf erneuerbaren Energien basiert, noch Jahre entfernt.

Bei netzabhängigen elektronischen Anwendungen haben die Halbleiterhersteller den Stromverbrauch erheblich gesenkt, so dass Anwendungen wie drahtlose Sensoren mit extrem niedrigem Stromverbrauch Realität geworden sind. Durch diese Innovation wurde die Nachhaltigkeit der Netzstromversorgung verbessert. Daneben entwickeln die Ingenieure parallel dazu einen Ansatz für die Nutzung erneuerbarer Energien.

Die Umstellung auf erneuerbare Energien ist eine teure Herausforderung. Die Industrie setzt daher Übergangstechniken ein, um den Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energien zu erleichtern. Einer dieser Ansätze ist das Energy Harvesting. Dabei handelt es sich um eine Form der Energierückgewinnung, bei der die verfügbare Energie aufgefangen und in ein entsprechendes Gerät zurückgeführt wird.

Dabei muss unbedingt zwischen nachhaltiger und erneuerbarer Energie unterschieden werden. Nachhaltige Lösungen erweitern bestehende, auf fossilen Brennstoffen basierende Ansätze, indem sie diese durch zusätzliche Energie ergänzen. Erneuerbare Energie nutzt unbegrenzt verfügbare Quellen wie Wind- und Sonnenenergie zur Stromerzeugung. Durch die Nutzung dieser kohlenstofffreien Quellen werden Kohlenwasserstoffemissionen drastisch reduziert oder aus der Energieproduktion komplett eliminiert. Daher ist Energy Harvesting eine nachhaltige Maßnahme zur Ergänzung der Energie aus dem Stromnetz oder aus Batterien.

Energy Harvesting wird zu einer erneuerbaren Energiequelle, wenn sie endliche Energiequellen durch unbegrenzt verfügbare Alternativen ersetzen kann. Für netzunabhängige Anwendungen, die eine Batterie benötigen, wie z. B. Wearables und netzunabhängige Sensoren, bietet Energy Harvesting diese Art von erneuerbarer Alternative, indem es Licht, Bewegung oder thermische Energie nutzt und so die gesamte Stromversorgung der Batterie übernimmt.

Geräte, die sich selbst mit Strom versorgen, sind der Schlüssel zu wirtschaftlicher Rentabilität, senken die Kosten für die Wiederbeschaffung von Batterien für den Verbraucher erheblich und tragen zu einer nachhaltigen Energieversorgung bei.

Strategien zur Gewinnung von grüner Energie

Zu den Anwendungen, die sich für diese so genannte Energy Harvesting-Technologie eignen, zählen unter anderem Wearables und netzunabhängige drahtlose Sensornetzwerke. Die Energiegewinnung ist zwar nicht besonders effizient, aber der entscheidende Maßstab ist der Vergleich des Energiebeitrags der Technologie mit einer Batterie im Verhältnis zu ihren Kosten. Mit Blick auf die Selbstversorgung von Geräten ist es wichtig, den Beitrag der drei erneuerbare Energiequellen (Licht, Bewegung und Wärme) zur Stromversorgung nachzuvollziehen:

Lichtenergie

Solarenergie (oder Photovoltaik) liefert 0,1 mW/cm² (in Innenräumen) bis 100 mW/cm² (im Außenbereich) bei einem Wirkungsgrad von etwa 10 Prozent (15-20 Prozent sind möglich). Dadurch wird eine zusätzliche Leistung von 10 (in Innenräumen) bis 10.000 µW/cm² (im Außenbereich) erzielt.

Bewegungsenergie

Bei normaler Vibration/Bewegung gewinnen piezoelektrische Energy Harvester 4 µW/cm² (Mensch, gemessen bei 1 Hz und 50 Hz) und 100 µW/cm² (Maschine, gemessen bei 5 Hz und 1.000 Hz) zurück. Der Wirkungsgrad von piezoelektrischen Hochleistungsmaterialien liegt bei etwa 10 Prozent und ist damit ähnlich hoch wie der von Photovoltaikanlagen.

Wärmeenergie

Energy Harvesting mit thermoelektrischen Medien liefert Leistungen von 30 µW/cm² für Temperaturunterschiede beim Menschen und bis zu 10.000 µW/cm² für industrielle Geräte. Der Wirkungsgrad liegt bei Maschinen aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Metalls wiederum bei etwa 10 Prozent. Die geringe Temperaturdifferenz, die durch die menschliche Körpertemperatur entsteht, führt jedoch zu einem Wirkungsgrad von nur 0,15 Prozent bei thermoelektrischen Medien und damit zu der bei weitem schwächsten der drei Quellen. Da die menschliche Körpertemperatur nicht wesentlich schwankt, hat die Umgebung einen größeren Einfluss auf die thermoelektrische Leistung. Diese Quellen sind an kalten Tagen aufgrund der höheren Temperaturdifferenz effizienter.

Wirtschaftlichkeit von Energy Harvesting

Die drei wichtigsten erneuerbaren Energiequellen – Licht, Bewegung und Wärme – liefern eine zusätzliche Energie in der Größenordnung von 10-10.000 µW/cm². Mit dieser Leistung kann Energy Harvesting die Batterien von MCUs mit extrem niedrigem Stromverbrauch ersetzen. Obwohl die tatsächliche Wirtschaftlichkeit von der Geometrie, dem Design und den Lastbedingungen einer bestimmten Anwendung abhängt, gibt es Grund zu der Annahme, dass Energy Harvesting einen definitiven wirtschaftlichen Vorteil gegenüber Batterien bietet.

Entwicklern ist es gelungen, die Leistungsdichte der Batterien erheblich zu verbessern. Daher benötigen Energy Harvester in der Anwendung möglicherweise mehr Platz als Batterien. Der Platzbedarf von On-Chip-Komponenten stellt eine Herausforderung für die Integration von Energy Harvesting-Lösungen dar.

Batterien sind jedoch endlich und müssen von Menschen ersetzt werden. Da Batterien begrenzte natürliche Ressourcen verbrauchen, sind sie auch nicht nachhaltig. Außerdem beinhalten sie natürliche Ressourcen wie Lithium und Alkali und sind bestenfalls teilweise recycelbar. Hinzu kommt, dass für den Austausch der Batterien Menschen eingesetzt werden müssen und dass bei der Konstruktion der Teile der Austausch, die Wartung und die Ausfallzeiten der Sensoren berücksichtigt werden müssen.

Allein die Kosten für den Austausch könnten sich auf Hunderte von Stunden pro Jahr belaufen, wohingegen die Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen eine passive, batterielose Lösung darstellt, die keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt hat.

Fazit

Der Schlüssel zu einer Designstrategie, die sich selbst mit Strom versorgt und erneuerbare Energien nutzt, besteht darin, MCUs mit extrem niedrigem Stromverbrauch in Anwendungen einzusetzen, die ohnehin schon einen geringen Strombedarf haben. Er liegt bei etwa 11.000 µW/cm² und umfasst beispielsweise Wearables und drahtlose Fernsensoren. Je besser die Verfahren zur Energiegewinnung aus erneuerbaren Energien werden, desto praxistauglicher werden sie für größere batteriegestützte Geräte. Dieser Ansatz kann dazu beitragen, dass Fortschritte im IoT-Bereich nicht nur wirtschaftlich machbar, sondern auch weniger umweltschädlich sind.