Energy  Scavenging - Prinzipien, Stand der Technik, Ausblick  

Inhalt

INHALT   1

ABBILDUNGSVERZEICHNIS   2

TABELLENVERZEICHNIS   3

1.  EINLEITUNG  4

2.  THEORETISCHE GRUNDLAGEN  6

2.1.  Definitionen und Abgrenzung  6

2.2.  Motivation/Bedarf für Energy Harvesting  8

2.3.  Energie-Quellen  12

3.  ANWENDUNGSPRINZIPIEN  15

3.1.  Piezoelektrisches Anwendungsprinzip  15

3.1.1.  Physikalischer Effekt  15

3.1.2.  Stand der Technik  18

3.2.  Elektromagnetisches Anwendungsprinzip  20

3.2.1.  Physikalischer Effekt  20

3.2.2.  Stand der Technik  21

3.3.  Elektrostatisches Anwendungsprinzip  22

3.3.1.  Physikalischer Effekt  22

3.3.2.  Stand der Technik  24

3.4.  Thermoelektrisches Anwendungsprinzip  25

3.4.1.  Physikalischer Effekt  25

3.4.2.  Stand der Technik  26

4.  ZUKÜNFTIGE ENTWICKLUNG  27

4.1.  Aktuelle Studien und Produktkonzepte  27

4.2.  Forschungsmethode  31

4.3.  Expertenbefragung  33

4.4.  Befragte Experten.  34

4.5.  Ergebnisse der Befragung  36

5.  FAZIT  41

LITERATURVERZEICHNIS   42

Maresch  , Beck, Gunesch 1 S e i t e  

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Abbildungsverzeichnis   

Abbildung  1: Grundschema eines Energy Harvesters  

Abbildung  2: Microbial Fuel Cell (MF)C  

Abbildung  3: Entwicklung von ausgewählten Computer-Leistungszahlen  

Abbildung  4: Energiequellen für Energy Harvesting  

Abbildung  5: Längs-Effekt  

Abbildung  6: Quer-Effekt  

Abbildung  7: Scher-Effekt  

Abbildung  8: Neutraler Quarz-Kristall  

Abbildung  9: Längs-Krafteinwirkung  

Abbildung  10: Nutzbare Strukturen für piezoelektrische Harvester  

Abbildung  11: Induktion  

Abbildung  12: Elektrostatik  

Abbildung  13: Anwendung  

Abbildung  14: Thermoelektrischer Stromkreis.  

Abbildung  15: Piezobiegewandler  

Abbildung  16: Elektronisches Dämpfungssystem beim Head Protector  

Abbildung  17: TE-Power-Bolt Thermogenerator  

Abbildung  18: Fernbedienungsprototyp von NEC  

Abbildung  19: Designstudie Zeri Phone  

Abbildung  20: "Piezo Eel" für Strömungs-Harvesting  

Abbildung  21: Methoden zur Vorhersage  

Abbildung  22: Marktvolumen für Energy Harvesting Anwendungen  

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Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Denkbare Anwendungsgebiete und Vorteile ................................... 11 Tabelle 2: Nutzbare Quellen ............................................................................ 13 Tabelle 3: Abschätzung der erreichbaren Leistungsdichte für die kommenden

10 Jahre ........................................................................................................... 37 Tabelle 4: Potentielles Marktvolumen für Energy Harvesting ........................... 40

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1. Einleitung

In den Medien ist immer wieder von Anwendungen die Rede, bei denen auf unkonventionelle Weise Energie erzeugt wird. So existiert beispielsweise in London eine Discothek, bei der die Gäste auf der Tanzfläche durch ihre Tanzbewegungen Strom für die Beleuchtung erzeugen. Das Prinzip das dahinter steckt ist simpel. Der Boden der Tanzfläche besteht aus einzelnen Platten, die durch die Belastung durch das menschliche Gewicht etwas nachgeben. Unter den Platten wird diese Bewegung durch entsprechende Systeme dann in elektrische Energie umgewandelt. Dieses System wird nun auch von einem Supermarkt angewendet. Dessen Parkplatz verfügt ebenfalls über bewegliche Platten, die durch das Gewicht der Autos von Kunden und Lieferanten für Energie an den Kassen sorgen (Süddeutsche Zeitung, Schrader, 2009). Was hier im großen Maßstab umgesetzt wurde wird auch im Nanobereich angewendet, um kleinere Geräte und Sensoren autark mit Energie zu versorgen. Die Methode, aus in der Umwelt abfallender Energie nutzbare elektrische Energie zu erzeugen, wird als Energy Harvesting oder auch Energy Scavenging bezeichnet. Der Name beruht auf dem ‚Ernten‘ derjenigen Energie, die als Abfallprodukt von biologischen oder chemischen Prozessen entsteht.

Es gibt dabei verschiedene Anwendungsformen, die auf unterschiedliche Weise versuchen, Energie aus der Umgebung zu gewinnen.

Ziel dieser Arbeit ist es, einen Überblick über die bestehenden Anwendungen zu geben, die Prinzipien dahinter zu erklären und einen Ausblick auf die Zukunft dieser Technologien zu geben. Im ersten Teil der Arbeit werden hierfür die the-oretischen Grundlagen dargestellt. Die Begriffe Energy Harvesting und Energy Scavenging werden definiert und gegeneinander abgegrenzt. Außerdem wird der Bedarf für eine autarke Energieversorgung aufgezeigt und schließlich werden die verschiedenen verfügbaren Energiequellen aufgezählt und erläutert. Der zweite Teil beschäftigt sich mit den technischen Anwendungsprinzipien, die für Energy Harvesting Systeme verwendet werden können. Nachdem der jeweils zugrunde liegende physikalische Effekt erklärt wurde, wird der Stand der Technik dargelegt und die Vor- und Nachteile des Prinzips erläutert. Der abschließende dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der zukünftigen Entwick- ©Maresch, Beck, Gunesch 4 | S e i t e

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lung der Technik und des Marktes der energieautarken Systeme. Nach einem Überblick über aktuelle Studien und Produktkonzepte wird theoretisch dargestellt, welche Forschungsmethode (Expertenbefragung) verwendet werden sollte, um generellere Aussagen über die Entwicklung des Energy Scavenging treffen zu können. Danach werden die befragten Personen und deren Institutionen vorgestellt. Schließlich werden deren Aussagen und zusätzliche Materialien zusammengefasst, um einen Einblick in die möglichen Trends und Entwicklungen auf dem Markt zu erhalten.

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2. Theoretische Grundlagen

Um die praktischen Anwendungen zu verstehen und einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen geben zu können, sind einige theoretische Grundlagen nötig. Nach Definition und Abgrenzung wird der Bedarf für Energy Harvesting dargelegt. Anschließend werden mögliche Quellen dargestellt und erläutert.

2.1. Definitionen und Abgrenzung

Energy Harvesting (oder auch Power Harvesting) bezeichnet das Nutzen der in der Umgebung vorhandenen Energie durch Mikro- oder Nanosysteme, um sie in elektrische Energie umzuwandeln. Die durch Energy Harvesting (EH) erzeugte Energie soll in erster Linie keine konventionellen Kraftwerke zur Erzeugung von Strom für die Versorgung der Haushalte und des Verkehrs ersetzen, sondern wird eingesetzt, um kleinere elektronische und elektrische Geräte zu ver-sorgen (Harrop P. , 2009). Grundsätzlich besteht ein Energy Harvesting System aus Energiewandler und -speicher und dient dazu, eine Energiequelle in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln (siehe Abbildung 1)

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In der Literatur werden die Begriffe Energy Harvesting und Energy Scavenging oft als Synonyme verwendet. Shashank et al. (2009) definieren den Unterschied in der Art der Energiequelle. Bei Energy Harvesting ist das Auftreten der abfallenden Energie bekannt und planmäßig. Ein Beispiel hierfür ist die Photovoltaik, bei der die Energiezufuhr regelmäßig und gleichmäßig geschieht. Beim Energy Scavenging hingegen ist die nutzbare Energie unbekannt oder zumindest höchst unregelmäßig und stellt eher ein Abfallprodukt dar. Ein Beispiel hierfür sind Turnschuhe, die die Laufenergie zum Betreiben von Schrittzählern heranziehen. Hier kann nicht genau bestimmt werden, wann und in welcher Intensität die Energie geerntet werden kann. Die genaue Trennung der Definitionen ist vor allem beim Dimensionieren der Technologie und dem Planen des Standpunktes notwendig. Thema der Arbeit sind die genutzten physikalischen Effekte, Anwendungen und zukünftigen Entwicklungen des Energy Scavenging, weshalb auf Erklärungen von beispielsweise Photovoltaik verzichtet wird. Da in der zugrundeliegenden Literatur aber oftmals keine Unterscheidung der Begriffe vorliegt, werden die beiden Möglichkeiten, Energie zu ernten, im Folgenden als Synonyme verwendet.

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2.2. Motivation/Bedarf für Energy Harvesting

Die Fraunhofer Gesellschaft sieht das Entwickeln von energieautarken Systemen als eins von zwölf Zukunftsthemen an, um Herausforderungen wie Klima-wandel, Ressourcenmangel oder Gesundheitsvorsorge zu begegnen. Im Einzelnen lassen sich drei Gebiete identifizieren, die einen unterschiedlichen Bedarf nach autark erzeugter Energie aufweisen.

Wie bereits erwähnt, eignet sich Energy Harvesting selten als alleinige Energiequelle zur Versorgung eines ganzen Gebäudes mit Wärme und Strom. Allerdings kann es zusätzlich eingesetzt werden, um Energiekosten zu senken und Umweltbeeinträchtigungen zu verringern. Vor allem bei Steuerungselementen können energieautarke Elemente zu Einsparungen und verringertem Aufwand führen. Zum Beispiel hat EnOcean, ein deutsches Energy Scavenging Unternehmen, in einem Gebäude in Madrid 4200 kabel- und batterielose Lichtschalter und Lichtsensoren installiert, die durch Energy Harvesting betrieben werden. Durch diese Technologie konnten 40% der Energiekosten für die Beleuchtung eingespart werden und 32 km Kabel. Außerdem hätten die Bauteile in 5 Jahren 42000 Batterien verbraucht, die Energy Harvesting Sensoren dagegen haben weine weitaus längere Laufzeit und sind weitgehend wartungsfrei. Anwendungsbeispiele wie diese zeigen die Vorteile von energieautarken Systemen in Zeiten, in denen Umweltprobleme und Energiekrisen immer größere Themen werden (Harrop P. , 2009).

Eine weitere Einsatzmöglichkeit für Energy Scavenging sind Gebiete ohne hinreichende Versorgung mit Elektrizität. Gerade in der dritten Welt könnten energieautarke Systeme dafür sorgen, dass die Menschen Strom beziehen können. Viele karitative Einrichtungen verfolgen dieses Ziel. Die „One Laptop Per Child“ Initiative beispielsweise hat das Ziel, die Kinder mit Computern auszustatten, die sich per Photovoltaik oder mechanische Energie mit Strom versorgen (OLPC, 2010). Eine weitere soziale Einrichtung namens Lebone entwickelt Möglichkeiten, aus der Erde oder anderen organischen Materialien wie Essensabfällen oder Dung Energie zu gewinnen. Die Anwendung ist einfach herzustellen und zu verwenden (siehe Abbildung 2). Ein Stück Tuch dient als Anode und wird mit einem Eimer mit Erde bedeckt. Ein Stück Maschendrahtzaun dient als Kathode und wird mit einem Draht mit der Anode verbunden. In den Schaltkreis

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wird eine LED Lampe integriert. Die Mikroben in der Erde produzieren Elektronen und sorgen dafür, dass die LED leuchtet und somit auch bei Nacht für Licht (Henderson, 2009).

Diese Microbial Fuell Cells (MCF) sind kostengünstig und sowohl tageszeit- als auch wetterunabhängig. Das Verwenden von Energy Harvesting Technologien könnte demnach für eine Verbesserung des Lebensstandards in den Dritte Welt Ländern sorgen.

Doch auch in den entwickelten Ländern besteht Bedarf für energieautarke Systeme. Vor allem als Ersatz für Batterien sind die Bauteile denkbar oder bereits im Einsatz. Viele der heute verwendeten Geräte wie Handys oder Laptops benötigen häufige Ladevorgänge und haben oft eine nur unbefriedigende Lebensdauer (Hebling, 2007). Während sich die Leistung der Computer und Speicherbausteine in den letzten Jahren exponentiell gesteigert hat, wächst die Kapazität der Batterien und Akkus nur langsam (siehe Abbildung 3)

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