Einfach ernten

17.06.2020

Energy Harvesting bedient sich nicht nur der Piezoelectric , sondern auch der Bewegungsenergie z.B. beim Tanzen
Bildquelle: @stux_Pixabay

Ernten ohne zu säen: Das Energy Harvesting ist ein eher ungewöhnliches Ernteverfahren, denn es kommt ganz ohne vorherige Saat aus. Es bedient sich vielmehr der ungenutzt in unserer unmittelbaren Umgebung vorkommenden Energie – das kann Licht, Wärme oder Bewegung sein. „Geerntet“ werden dabei zwar nur kleinste Energiemengen im Mikro- bis Nanowattbereich, damit lassen sich aber sehr gut mobile Geräte wie Smartphones oder auch Sensoren im Internet of Things betreiben.

Frank Schmidt, Chief Technology Officer und Mitgründer von EnOcean, ist ein Pionier der Energy-Harvesting-Technologie. Mehr als 40 Erfindungen in diesem Bereich hat er mittlerweile zum Patent angemeldet. Eine seiner ersten Entwicklungen war ein kleiner Energiewandler, mit dessen Hilfe ein Lichtschalter per Funksignal eine Lampe an- und ausschalten kann.

Ganz ohne externe Stromversorgung, ganz ohne Kabel. Mittlerweile haben Frank Schmidt und seine Kollegen von EnOcean einen herstellerübergreifenden Standard für batterielose Funksensorik daraus gemacht, der vor allem in der Gebäudeautomation Anwendung findet. „Wir leben in einem Ozean von Energie. Wir müssen ihn nur nutzen.“, ist Schmidts Überzeugung.

Vom Schülerexperiment bis zur Mission auf Staatsebene

Amedeo Murano und Joschua Färber, Schüler der Jahrgangsstufe 12 des Evangelischen Gymnasiums Meinerzhagen (EGM), fanden den Gedanken des Energieerntens aus der Umgebung ebenfalls spannend und wählten dieses Thema für ihr Physikprojekt. Im vergangenen Jahr wurden sie neben ihrem Physiklehrer Walter Ihne bei der Umsetzung von Entwicklungs-Ingenieuren der Turck duotec sowie Azubis der Werner Turck in Halver unterstützt. Ausgehend von der Idee, mit der „abgeernteten“ Energie ein mobiles Endgerät zu betreiben, mussten zunächst Ideen für die Art des Energy Harvestings entwickelt werden. Nach einigen Überlegungen schließlich fanden die beiden eine Lösung. Aus der Abwärme eines mit kochendem Wasser gefüllten Kochtopfs gelang es ihnen mit Hilfe einer Aluminiumplatte als Kühlkörper und fünf Peltier-Elementen eine Spannung von 4 Volt zu erzeugen. Ihren Versuchsaufbau stellten sie im Rahmen der Abschlusspräsentation im Februar 2020 vor, worüber wir an anderer Stelle berichteten [..].

Nutzen, was vorhanden ist

Die Idee des Energy Harvesting oder Ambient Energy Harvesting ist nicht neu. Im weitesten Sinne ließen sich die Photovoltaik-Technik oder die Energiegewinnung aus Wasserkraft ebenfalls dazu rechnen. Das Energy Harvesting setzt aber kleiner an, die gewonnenen Energiemengen bewegen sich gerade einmal im Mikro- und Nanowattbereich. Damit lassen sich zum Beispiel mobile Geräte mit geringer Leistung oder auch Sensoren versorgen. Ein entscheidender Vorteil der Methode liegt in der „Drahtlosigkeit“. Die erzeugte – besser gesagt „geerntete“ – Energie wird direkt verbraucht. Kabel zur Stromversorgung oder das Nachladen von Batterien werden überflüssig. Auf diese Weise funktionieren nicht nur die oben erwähnten batterielosen Funkschalter von EnOcean. In der gesamten Gebäudeautomation, also in allen Einrichtungen, die ein Gebäude überwachen, steuern und regeln, ist Energy Harvesting ein großer Vorteil. Energieautarke Heizkörperstellventile etwa nutzen für ihren Betrieb den Temperaturunterschied zwischen dem Heizkörper und der Umgebung. Aber auch die übrigen in einem Gebäude zur Regelung eingesetzten Sensoren profitieren von den direkt zugeführten Energiemengen: Umständliche Batteriewechsel entfallen, weil keine Batterien mehr benötigt werden.

Tanzen, bis der Boden bebt und die Lampe leuchtet

Energie zum Nulltarif – auf dieses Konzept setzte auch der erste im Jahr 2008 in Rotterdam eröffnete Sustainable Dance Club, der Club „Watt“. Sein Name war Programm. Die Disco ging mit einem umfangreichen Nachhaltigkeitskonzept an den Start und bezog dabei kurzerhand die Partygästen mit ein. Denn die sollten nicht nur Spaß haben, sondern aktiv einen Teil des benötigten Stroms erzeugen. Beim Tanzen produzierten sie mit Hilfe flexibel gelagerter Bodenplatten und einem Generator nutzbare elektrische Energie. Abhängig von Bewegungsdrang und Tanzstil erreichte jeder Gast fünf bis zehn Watt, was ausreichte, um die Tanzfläche und das Mischpult des DJs mit Licht zu versorgen. Je ausgelassener also die Stimmung, desto heller die Beleuchtung. Wegen zu hoher Mietkosten musste der Club im Jahr 2010 leider schließen. Die Energieplatten, die damals auf der Tanzfläche verlegt wurden, sind indes immer noch erhältlich und werden heute u.a. als Spielflächen in öffentlichen Räumen eingesetzt.

Smart Dust - ein höchst intelligenter Staub

Energie effizienter zu nutzen und den ökologischen Fußabdruck zu minimieren, ist einer der Vorteile des Energy Harvestings. Ein anderer ist die netzunabhängige Stromversorgung. Kristofer Pister ist Professor am Institut für Elektrotechnik und Informatik der Universität Berkeley (USA). In den 1990er Jahren beschäftigte er sich intensiv mit Mikro-Computern und war davon überzeugt, diese auf die Größe von Staubkörnern bringen zu können. Die Idee des Smart Dusts, eines intelligenten Staubs, war geboren. Er reichte seinen Vorschlag bei der DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), der Forschungsabteilung des US-amerikanischen Militärs, ein. Die sah in „Smart Dust“ eine nie dagewesene Möglichkeit der Spionage und unterstützte das Projekt. Die Vision war, zig Tausende der mit Sensoren und einem Mikro-Prozessor ausgestatteten intelligenten Staubkörner hinter die feindlichen Linien zu bringen. Dort sollten sie sich selbstständig zu Netzwerken organisieren und untereinander Daten austauschen. Voraussetzung dafür: ein geringer Energieverbrauch und eine eigene, autarke Energieversorgung.

Für Kristofer Pister und seine Kollegen kam hier nur das Energy Harvesting in Frage. 2001 beendeten sie das Projekt erfolgreich. Ob die damals entwickelten Sensorknoten es jemals hinter feindliche Linien schafften, ist unklar. Immerhin war es den Forschern aber gelungen, reiskorngroße Minicomputer mit Bewegungs- und Lichtsensoren zu entwickeln. Der Antrieb erfolgte mittels Solarenergie oder Batterie. Über Funk oder auf optischem Wege konnten die Minis miteinander kommunizieren. Solche Sensornetzwerke aus winzigen per Funk miteinander interagierenden Computern kommen heute in vielen Analyse-, Überwachungs- und Steuerungsanwendungen zum Einsatz, z.B. in der Produktion, der Intralogistik, im Smart Metering oder in der Gebäudeautomation (Smart Home).

Piezo: Verformung erzeugt Strom

Umgebungsenergie zu nutzen ist das Prinzip des Energy Harvestings. Diese kann, wie oben beschrieben, aus einer Bewegung oder einer Verformung hervorgehen. Bereits 1880 stellten die Brüder Jacques und Pierre Curie fest, dass bei der Verformung natürlich vorkommender Kristalle eine elektrische Ladung entsteht. Sie lässt sich mit Elektroden abgreifen, sodass Strom fließt. Dieser als Piezoeffekt bezeichnete Vorgang tritt nicht nur mit Kristallen, sondern auch in Verbindung mit Keramikwerkstoffen auf. Ein bekanntes Beispiel ist das Zündelement eines elektrischen Feuerzeugs.

Seebeck: Temperaturunterschied lässt Strom fließen

Moritz Metz ist Radiojournalist und „Netzbastler“. Auf Deutschland Funk Nova führt er in der Podcast-Reihe „Netzbasteln“ hin und wieder anschauliche elektrotechnische Experimente durch. Auch mit dem Energy Harvesting hat er sich schon beschäftigt. In der Folge „Die musizierende Straßenlaterne“ bringt er mit Hilfe der Abwärme eines Teelichts ein Weihnachtskarten-Soundmodul zum Klingen. Das ist lehrreich und unterhaltsam zugleich.

Ähnlich wie im oben erwähnten Versuchsaufbau der Schüler des EGM benutzt er in seinem Experiment ein Peltierelement, eine kleine Porzellanplatte, die als thermoelektrischer Wandler dient. Legt man an ein solches Element eine Temperaturdifferenz an, dann fließt Strom. Selbstverständlich liegt auch diesem Phänomen ein physikalischer Effekt zugrunde, der nach seinem Entdecker Thomas Johann Seebeck benannt wurde. Der Physiker erkannte 1821, dass beim Anlegen einer Temperaturdifferenz an einem Stromkreis aus zwei verschiedenen elektrischen Leitern zwischen den Kontaktstellen eine elektrische Spannung entsteht.

Wer sich nicht nur für den Seebeck-Effekt interessiert, sondern Lust hat auf weitere Themen wie Chili-Zucht, WLAN-Knöpfe, Reißverschlussreparatur oder Vakuumkochen, dem sei der Podcast von Moritz Metz sehr ans Herz gelegt.