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Systeme im Griff dank Umgebungsenergie

20. September 2019, 19:31 Uhr   |  Wolfgang Hascher

Systeme im Griff dank Umgebungsenergie
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Durch Drücken und Halten kann der Schalter ein weiteres Telegramm verschicken, um beispielsweise die Beleuchtung zu dimmen oder die Lichtfarbe zu verändern.

In vielen Gebäuden kommen inzwischen funkbasierte Geräte zum Einsatz, mit denen sich Beleuchtungs-, Heizungs- und Sicherheitssysteme steuern lassen. Mit diesen Geräten werden auch immer mehr Batterien benötigt – aber das steht dem verstärkten öffentlichen Bewusstsein entgegen, Abfall zu vermeiden.

Dabei gibt es doch eine alternative Energiequelle für Funkschalter und Wireless-Sensoren: Aus Bewegungsenergie lassen sich nämlich ausreichende Strommengen zum Senden von Funksignalen erzeugen. 

Aufgrund der voranschreitenden Automatisierung sindmehr Batterien im Einsatz denn je – in Privatwohnungen genauso wie in Zweck- oder Industriegebäuden. Ob es nun um die Steuerung von Leuchten, Sicherheitssystemen, Audio-/Video-Anlagen oder von Entertainment-Systemen geht – batteriebetriebene Funk-Controller bieten so manche Vorteile: Sie lassen sich überall platzieren, können flexibel zwischen Räumen bewegt werden und sind unabhängig von Kabeln und Steckdosen. Doch es scheint ihnen immer im ungünstigsten Moment die Energie auszugehen. Privatanwender müssen dann erst einmal die richtige Ersatzbatterie identifizieren und beschaffen. Bei größeren Anlagen, beispielsweise in Gebäuden mit mehreren Wohneinheiten, müssen Facility Manager den regelmäßigen Batterieaustausch eigens planen und organisieren. 
Im privaten Umfeld scheint dies ein unbedeutendes Alltagsproblem zu sein. Doch auch hier gilt es, das große Ganze zu betrachten. Aufgrund des exponentiell wachsenden Internets der Dinge (IoT) werden mittlerweile Milliarden drahtloser Geräte eingesetzt, die eine unabhängige Stromversorgung benötigen und unterbrechungsfrei rund um die Uhr an 365 Tagen im Jahr funktionieren müssen. Jede einzelne Batterie zu überwachen und bei Bedarf auszutauschen stellt in intelligenten Gebäuden genauso wie in industriellen Netzwerken eine kaum zu bewältigende Herausforderung dar. Die hohen Kosten und der Aufwand sind dabei nicht die einzigen Probleme: Ein wichtiges Thema ist auch die Umweltbelastung. 

Für die Herstellung von Batterien werden riesige Mengen natürlicher Ressourcen wie Lithium verbraucht. Laut Schätzungen werden in einigen Jahren zehn Billionen IoT-Funksensoren in Betrieb sein – für die entsprechende Anzahl von Batterien würden eine Million Tonnen Lithium benötigt. Dies entspricht der gesamten Menge an Lithium, die weltweit in zehn Jahren gefördert wird. Hinzu kommen Batterien in Smartphones, Elektrofahrzeugen, Energiespeichern usw. Dass das verfügbare Lithium dafür bei Weitem nicht ausreicht, liegt auf der Hand. Darüber hinaus bringt der Abbau von Lithium massive Umweltbelastungen mit sich. Und es wurde noch kein Recyclingverfahren entwickelt, bei dem genügend reines Lithium für die erneute Verwendung in Batterien gewonnen wird. 
Dazu kommt noch die Frage der Entsorgung: Neben Lithium werden für Batterietechnologien giftige Schwermetalle wie Quecksilber, Blei, Cadmium und Nickel verwendet, die nicht nur umweltschädlich, sondern auch knapp und schwer zu recyceln sind. Tatsächlich ist der Energieaufwand für die Rückgewinnung von Metallen aus Batterien sechs bis zehn Mal höher als bei deren ursprünglicher Gewinnung (Quelle: Battery University: http://batteryuniversity.com/learn/article/recycling_batteries).

Technologie der Zukunft: Energy Harvesting

Wenn also Batterien die erforderliche Energie für Schalter-, Steuer- und Kommunikationsprozesse im Gebäude und im IoT nicht liefern können – was sind die Alternativen? Eine Option wäre die Stromversorgung über Kabel, was vor allem bei Nachrüstungen jedoch kostspielig und aufwändig ist sowie Baulärm und Dreck verursacht. Außerdem lassen sich verkabelte Systeme nicht einfach erweitern, wenn sich die Anforderungen ändern. Eine bessere Möglichkeit ist es, die benötigte Energie direkt aus der Umgebung des jeweiligen Geräts herauszuholen: Energy Harvesting. 
Dieser Ansatz ist alles andere als radikal. Automatik-Armbanduhren gibt es bereits seit dem frühen 20. Jahrhundert, und in den darauffolgenden hundert Jahren wurden die Mechanismen noch deutlich verbessert. Dabei wird Energie durch Armbewegungen des Trägers in einer Spiralfeder gespeichert bzw. bei elektronischen Uhren auf einen Aufzugsrotor übertragen, der einen winzigen elektrischen Generator antreibt. 
Moderne kabellose Geräte mit Energy Harvesting-Technologie gewinnen die gesamte für ihren Betrieb erforderliche Energie aus der unmittelbaren Umgebung. Ein Paradebeispiel hierfür ist ein batterieloser Funkschalter, der die kinetische Energie des Tastendrucks nutzt. Praktischerweise gibt es auch energieautarke Sensoren und Aktoren, die die geringen benötigten Energiemengen aus dem Umgebungslicht (Innen- und Außenbereich) oder aus Temperaturunterschieden generieren.
Beim kinetischen Energy Harvesting wird der Strom für die Übertragung von Funksignalen aus Bewegungsenergie gewonnen. So wird z.B. beim Betätigen eines Schalters ein elektromechanischer Energiewandler aktiviert, der aus dieser Bewegung elektrische Energie für ein Sende-Telegramm erzeugt. Mithilfe dieses Telegramms lassen sich Haushaltsgeräte oder Leuchten ein- und ausschalten oder Lichtszenen abrufen. 

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1. Systeme im Griff dank Umgebungsenergie
2. Universell nutzbar: Bewegungsenergie
3. Mit gutem Beispiel voran

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