Energy Harvesting in der M2M-Kommunikation
Wartungsfreie Energie für Funksensoren
Funksensorik stellt eine sehr junge Technik aus der M2M-Kommunikation (Machine to Machine) dar. Ein Hindernis für den breiten Einsatz bildet jedoch die Energieversorgung der autarken Systeme: Batterien müssen früher oder später gewechselt werden. Da Funksensoren oft an schlecht zugänglichen Stellen zum Einsatz kommen, kann die Wartung schnell recht teuer kommen. Eine Lösung des Problems für die Zukunft verspricht so genanntes Energy Harvesting, das kostenlose Energie aus der Umgebung des Funksensors generiert.Funksensoren sind attraktiv, weil sie versprechen, die Effizienz von Gebäuden und Prozessen zu steigern, sowie Daten zur effektiveren Nutzung von Produktionsanlagen und zur zustandsbasierten, also punktgenauen Instandhaltung zu liefern. Über 50 Prozent der heutigen Wartungskosten ließen sich sparen sowie erhebliche Zusatz- und Folgeeffekte in der Produktion realisieren, behaupten die einschlägigen Experten für Prozessoptimierung und Wartung. Erforderlich wäre dazu allerdings eine mehr oder weniger flächendeckende Ausstattung mit Funksensoren zur Überwachung von Temperaturen, Drücken, Schwingungen und anderen Größen. Neue Techniken bei Sensoren, Mikro-Controllern und Funkchips holen aus immer weniger Energie immer mehr Leistung. Dennoch ist ein Batteriewechsel letztlich unvermeidlich - was mit steigender Sensorzahl immer inakzeptabler wird und bisher den großen Durchbruch verhindert hat. Zur Lösung dieses Dilemmas rückt Energy Harvesting immer mehr ins Zentrum des Interesses. Diese ebenfalls recht neue Technik wandelt die in der Umgebung eines Funksensors vorhandene Primärenergie wie Licht, Vibration oder Abwärme in verwertbare Elektrizität um. Energy Harvesting tritt an, Batterien zu längerem Leben zu verhelfen, oder sie gar ganz zu ersetzen. Speziell die Variante des Energy Harvestings aus Abwärme, kurz Thermo-Harvesting, erscheint viel versprechend. Die geringen von Harvestern gewandelten Energiemengen stehen umweltfreundlich, wartungsfrei und völlig kostenlos zur Verfügung, denn die Primärenergie ist im Fall der Abwärme bereits bezahlt und wäre ohnehin an die Umgebung abgegeben worden. Die auch ökologisch bedenklichen Batterien als Energiequelle für drahtlose Sensoren und andere Kleinstverbraucher ließen sich also auf sehr umweltfreundliche Art auf den zweiten Platz verweisen. Ein Beispiel für die technischen Umsetzung von Thermo-Harvesting stellt das wachsende Produktportfolio des jungen Freiburger Herstellers Micropelt dar. Die angebotenen, unterschiedlichen Harvesting-Konzepte basieren sämtlich auf den nur wenige Quadratmillimeter großen Thermogeneratorchips (TEG) aus eigener Entwicklung. Die Lösungen adressieren dabei zwei verschiedene Standardszenarien und sollen Nutzern helfen, das Potenzial autarker Funksensorik mit Energy-Harvesting-Energieversorgung zu erschließen und auch auf andere energieautarke Systeme anzuwenden. Thermo-Harvesting per Chip Den ersten Standardfall bildet ein Harvester-integriertes System - typisch ein Temperatursensor: Dieser sitzt normalerweise an einer Messstelle, deren Temperatur sich von der der Umgebungsluft unterscheidet. Folglich liegt ein Gradient vor, der einen Wärmestrom erzeugt - notwendige Grundlage für das Thermo-Harvesting. Leitet man nun die Wärme durch einen Thermogenerator, anstatt sie wie bisher direkt über das Sensorgehäuse abzuführen, so ermöglicht dies eine integrierte autarke Energieversorgung des Sensors. Vorsetzung ist, dass die gewonnene elektrische Energie ausreicht, um das betreffende Gerät zu versorgen. Um diese wichtige Frage ohne große Umstände klären zu können, hat der Hersteller selbst einen modular aufgebauten, autarken, batterielosen Funksensor ("TE-Power Node") entwickelt, der zum einen zur Evaluierung der Thermo-Harvesting-Technik generell sowie zur Bestimmung des Energiebudgets dient. Der Anwender kann das Gerät schnell in der Zielposition anbringen und erhält über einen USB-Empfänger sogleich im Sekundentakt Messergebnisse auf einen PC gefunkt. Zudem gewinnt das "Node"-System immer mehr Bedeutung als Test- und Entwicklungsplattform für autarke Funksensoren. Durch enge Zusammenarbeit mit führenden Herstellern von Ultra-Low-Power-(ULP-)Mikro-Controllern und Funkchips sowie spezialisierten Systemintegratoren ist inzwischen eine Auswahl an steckerkompatiblen Varianten dieses Funkmoduls entstanden, die Zugang zu Funkplattformen von TI, Atmel, Jennic, Greenpeak und bald auch weiteren Herstellern bietet. Anwender können so unkompliziert auf ihrer bevorzugten Mikro-Controller-Plattform arbeiten. Alle Lösungen unterstützen die schnelle Messung und Langzeitbeobachtung der thermischen Verhältnisse und verfügbaren Energiebudgets. Die Simulation der Energiebilanz konkreter Zielsysteme mit einem parametrierbaren Duty Cycle (Nutzzyklus) erledigt die zugehörige Software ebenso wie die Umrechnung der momentan erzeugten Energie in die entsprechende jährliche Batteriekapazität. Nutzzyklus als Schlüssel Der Nutzzyklus ist generell ein Schlüsselelement der autarken Funksensorik, denn geringe durchschnittliche Energieverbräuche von weniger als fünf Milliwatt bis unter 100 Mikrowatt entstehen dadurch, dass sich die Geräte meistens im "Tiefschlaf" befinden, wobei sie nur ein paar Mikrowatt verbrauchen. Abgesehen von funkbasiereden Heizkostenverteilern sind bislang - trotz aller ULP-Kunstgriffe - jedoch kaum Funksensoren entwickelt worden, die ihre gesamte Lebensdauer von typischerweise zehn bis 15 Jahren aus einer einzige Batterie bestreiten könnten, denn nur wenige Messaufgaben lassen sich auf einige einfache Übertragungen pro Tag und ein optimiertes Spezialfunkprotokoll reduzieren. Im zweiten Harvesting-Standardfall sitzt der zu versorgende Sensor nicht an einer Messstelle mit Temperaturgradient. Hier greift das Konzept des Nahfeld-Harvesters (TE-Power Probe). Das durch einen leistungsfähigen Kühlkörper optimierte Gerät lässt sich im Umfeld des zu versorgenden Sensors dort montieren, wo genügend Abwärme zur Verfügung steht. Die Verbindung zum Verbraucher erfolgt per Kabel. Auch in diesem Fall bildet ein einzelner Thermogenerator mit nur 14 mm² Grundfläche das Herz des Systems. Zum Anschluss an die Energiequelle dient ein thermisch hoch leitfähiger Kupferzapfen, der die Wärme direkt an den TEG liefert. Zum Anschluss stehen eine Gewindevariante sowie ein glatter 15-mm-Zapfen für Quetschverschraubungen an Fluidsystemen zur Verfügung. Ein Milliwatt durchschnittlicher Energieverbrauch entspricht im Dauerbetrieb fast 8.800 Milliwattstunden pro Jahr. Für eine 3-Volt-Anwendung ergibt dies etwa 3.000 mAh oder zirka drei handelsübliche AA-Batterien. Ein Temperaturgefälle von 20°C zwischen der Harvesting-Quelle und der Umgebungsluft genügt, um beispielsweise mit einem TE-Power Probe die gleiche Energiemenge zu erzeugen. Bei einer 90°C-Heißseite und 25°C Lufttemperatur liefert der Thermo-Harvester netto etwa 12 mW, umgerechnet etwa 30 bis 35 AA-Batterien. Die Nettobetrachtung berücksichtigt die Wandlereffizienz des speziell entwickelten Gleichstromkonverters von etwa 80 Prozent. Die mit Spannungsregelung und Hysterese ausgestatteten Schaltungen (Power-Conditioning-Module) puffern die Energie für einige Arbeitszyklen des Sensors in einem Kondensator und ersetzen so die Batterie. Auch ein einfacherer DC-Booster mit einstellbarer Ausgangsspannung sowie ein Thermogenerator-Direktausgang stehen Entwicklern zur Verfügung. Nachrüstung und Serienausstattung Von den ermutigenden Resultaten eines von Shell durchgeführten Feldtests (TE-Power Probe) und steigender Nachfrage aus der Industrie bestärkt, hat der Hersteller kürzlich damit begonnen, das Gerät als Serienprodukt anzubieten. Auch eine Zertifizierung für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ist in Vorbereitung, denn derzeit sind in diesem Umfeld die größten Wachstumspotenziale zu erkennen. Es sind nämlich schon weit über 30.000 Funksensoren in unterschiedlichen Applikationen installiert, und die einschlägigen Hersteller melden Wachstumsraten im hohen zweistelligen Bereich. Um diese installierte Basis und die gegenwärtige Gerätegeneration zu adressieren, ist auch ein nachrüstbarer Adapter in Batterieform in Entwicklung, mit dem Anwender den nächsten fälligen Batteriewechsel gleichzeitig zum letzten machen können. Neue entwickelte Geräte hingegen - so die Erwartung - dürften bald ohnehin mit Energy-Harvesting-Schnittstelle versehen sein. Auch der kompakte, preiswerte, selbstversorgende und mit der Intelligenz zur qualifizierten Fehler- und Schadensanalyse ausgestattete Funksensor scheint nur mehr eine Frage der Zeit. Die nächste große Effizienz-"Revolution" steht der Industrie also möglicherweise schon bald ins Haus.
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