Da die Welt zunehmend über das Internet der Dinge (IoT) vernetzt ist, stehen Ingenieure und Systemdesigner vor einer wachsenden Herausforderung: Wie lassen sich die Milliarden von Geräten in Fabriken, Städten, Büros und sogar an unserem Körper zuverlässig mit Strom versorgen? Herkömmliche Energiequellen wie Batterien können sperrig sein, müssen häufig ausgetauscht werden und stoßen in entlegenen oder schwer zugänglichen Umgebungen oft an ihre Grenzen.

Hier kommt Energy Harvesting ins Spiel – ein bahnbrechender Ansatz, der Umgebungsenergie aus der Umwelt aufnimmt und in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Für Elektroingenieure, die Komponenten von Distributoren wie OLC beziehen, sowie für Einkaufsprofis, die für die Effizienz der Lieferkette verantwortlich sind, wird das Verständnis von Energy Harvesting zunehmend unverzichtbar. 

Was ist Energy Harvesting?

Energy Harvesting (auch als Energy Scavenging bekannt) bezeichnet den Prozess, kleine Energiemengen aus externen Quellen – etwa Wärme, Bewegung, Licht oder elektromagnetischen Feldern – aufzunehmen und in elektrische Energie umzuwandeln. Diese gewonnenen Energiequellen können ultra-stromsparende Elektronik wie IoT-Sensoren und drahtlose Sender versorgen und so den Bedarf an Batterien oder Kabelanschlüssen verringern oder ganz eliminieren.

Auch wenn die erzeugte Energiemenge typischerweise gering ist – meist im Bereich von Mikrowatt bis zu einigen Milliwatt –, reicht sie häufig für die Anforderungen eingebetteter Systeme aus, insbesondere in Kombination mit energieeffizienten Komponenten und intelligenten Energiespeicherlösungen.

Schauen wir uns nun einige der wirkungsvollsten Energy-Harvesting-Technologien und ihre Funktionsweise genauer an.

Thermoelektrische Generatoren (TEGs)

Funktionsweise

TEGs arbeiten auf Basis des Seebeck-Effekts, einem thermoelektrischen Prinzip, bei dem zwischen zwei unterschiedlichen Leitern oder Halbleitern eine Spannung entsteht, sobald zwischen ihnen ein Temperaturunterschied besteht. Im Wesentlichen fließt Wärme von der heißen zur kalten Seite des Materials, und Elektronen bewegen sich mit ihr, wodurch ein elektrisches Potenzial entsteht.

Diese Bauteile bestehen aus einer Anordnung thermoelektrischer Materialien, die so ausgerichtet sind, dass die Einwirkung des Temperaturgradienten maximiert wird. Je größer der Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten, desto höher die elektrische Ausgangsleistung. Deshalb sollte der gewünschte Temperaturgradient so steil wie möglich sein – auf der einen Seite so heiß wie möglich, auf der anderen so kalt wie möglich. Natürlich innerhalb vernünftiger Grenzen.

Anwendungen und Relevanz

In industriellen Umgebungen erzeugen Maschinen und Anlagen häufig überschüssige Wärme. Anstatt diese Energie ungenutzt an die Umgebungsluft abzugeben, können TEGs einen Teil davon zurückgewinnen und in Strom für eingebettete Überwachungssysteme umwandeln. Ebenso können TEGs in Wearables oder medizinischen Geräten den Temperaturunterschied zwischen der Haut einer Person und der Umgebung nutzen, um Sensoren mit Strom zu versorgen und so den Bedarf an Batteriewechseln zu reduzieren.

Für Ingenieure bedeutet dies, hocheffiziente TEG-Module und Spannungsregler-ICs zu beschaffen, die mit niedrigen, schwankenden Eingangsspannungen zurechtkommen. Obwohl eher unüblich, findet sich eine wahrhaft außerirdische Anwendung von TEGs in der Raumfahrt, wo radioaktiver Zerfall Wärme erzeugt, die über einen TEG Satelliten, Sonden und Rover mit Energie versorgt. In ihrem Artikel "What is Energy Harvesting?"bietet CircuitBread einen hervorragenden Überblick über TEGs und geht näher darauf ein, wie sie auf Halbleiterebene funktionieren.

Piezoelektrisches Energy Harvesting

Funktionsweise

Piezoelektrische Materialien erzeugen Strom, wenn sie mechanisch belastet werden – ein Ergebnis ihrer inneren Kristallstruktur. Werden diese Materialien gebogen, komprimiert oder in Schwingung versetzt, erzeugen sie eine Spannung an ihrer Oberfläche.

Piezoelektrische Wandler kommen typischerweise in Umgebungen zum Einsatz, in denen Vibrationen oder mechanische Bewegungen häufig auftreten. Sie können in Schuhsohlen, Straßen, Brücken oder Industrieanlagen eingebettet werden. Zu den gängigen Materialien zählen Quarz, PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) sowie neuere flexible Polymere.

Anwendungen und Relevanz

Stellen Sie sich eine intelligente Brücke vor, die ihren strukturellen Zustand mithilfe eingebetteter Sensoren überwacht. Anstatt Stromleitungen zu verlegen oder ständig Batterien zu wechseln, können piezoelektrische Bauteile Energie aus den natürlichen Vibrationen des Verkehrs gewinnen. In tragbarer Technologie könnte jeder Schritt, den Sie machen, Energie erzeugen. Auch wenn die erzeugte Energiemenge nicht groß sein mag, würde sie ausreichen, um den Ladezustand einer Uhr oder eines anderen kleinen Geräts aufrechtzuerhalten.

Triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs)

Funktionsweise

TENGs basieren auf dem triboelektrischen Effekt, bei dem Materialien nach reibungsbedingtem Kontakt mit einem anderen Material elektrisch aufgeladen werden. Wenn sich zwei Oberflächen wiederholt berühren und wieder trennen, etwa bei aneinanderreibenden Stoffen oder Hautbewegungen, sammeln sich Ladungen an und erzeugen eine Spannung. Interessanterweise gibt es trotz jahrhundertelanger Vertrautheit mit dem triboelektrischen Effekt noch immer Diskussionen über die genauen Details seiner Funktionsweise. Zumindest im Moment noch!

Im Gegensatz zu piezoelektrischen Materialien können TENGs aus einer größeren Vielfalt von Materialien hergestellt werden, darunter gängige Polymere. Diese Flexibilität macht sie ideal für Wearables und Textilien.

Anwendungen und Relevanz

Triboelektrische Wandler werden für Wearables der nächsten Generation erforscht, die vollständig durch menschliche Bewegung selbst versorgt werden. Von Kleidung, die Vitalwerte überwacht, bis hin zu Oberflächen, die Umweltveränderungen erkennen – TENGs könnten dazu beitragen, völlig neue Designparadigmen zu erschließen.

HF-Energy-Harvesting

Funktionsweise

HF-Energy-Harvesting gewinnt Energie aus elektromagnetischen Umgebungswellen, wie sie etwa von WLAN-Routern, Mobilfunkmasten oder sogar Fernsehsendungen ausgestrahlt werden. Ein HF-Wandler nutzt eine Antenne, um elektromagnetische Wellen zu erfassen, die anschließend über eine Gleichrichterschaltung in eine Gleichspannung umgewandelt werden.

Die Ausgangsleistung ist in der Regel recht gering, sogar geringer als bei den anderen bereits besprochenen Technologien. Doch für Anwendungen mit ultraniedrigem Energieverbrauch können selbst kleine Energiemengen ausreichen, um einen Kondensator aufzuladen und ein Gerät zeitweise zu betreiben.

Anwendungen und Relevanz

Eines der spannendsten Beispiele sind RFID-Tags, die Energie aus umgebenden HF-Signalen gewinnen. Diese Tags können in Verpackungen eingebettet werden, um die Frische, den Standort oder die Temperatur von Produkten in Echtzeit zu verfolgen. Noch häufiger sind sie bei den immer allgegenwärtigeren Ausweiskarten im Einsatz, die in der Regel für Sicherheitsanwendungen genutzt werden.

Fazit: Ein Katalysator für die Zukunft

Energy Harvesting wird die Art und Weise, wie wir über Energieversorgung in der Elektronik denken, grundlegend verändern. Von Wearables und Fernsensoren bis hin zu industrieller Automatisierung und intelligenter Verpackung ermöglicht diese Technologie neue Produkte, die kleiner, intelligenter und nachhaltiger sind.

Für Ingenieure und Einkäufer gleichermaßen wird die Zusammenarbeit mit einem Distributor, der das gesamte Ökosystem des Energy Harvesting versteht – von Materialien über Energiemanagement bis hin zur Speicherung –, der Schlüssel zu einer erfolgreichen Umsetzung sein. Am Ende des Tages ist die Energie da draußen. Wir müssen sie nur einfangen.