Energy Scavenging und Harvesting

Inhalt

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

TABELLENVERZEICHNIS

1. EINLEITUNG

2. THEORETISCHE GRUNDLAGEN
2.1. Definitionen und Abgrenzung
2.2. Motivation/Bedarf für Energy Harvesting
2.3. Energie-Quellen

3. ANWENDUNGSPRINZIPIEN
3.1. Piezoelektrisches Anwendungsprinzip
3.1.1. Physikalischer Effekt
3.1.2. Stand der Technik
3.2. Elektromagnetisches Anwendungsprinzip
3.2.1. Physikalischer Effekt
3.2.2. Stand der Technik
3.3. Elektrostatisches Anwendungsprinzip
3.3.1. Physikalischer Effekt
3.3.2. Stand der Technik
3.4. Thermoelektrisches Anwendungsprinzip
3.4.1. Physikalischer Effekt
3.4.2. Stand der Technik

4. ZUKÜNFTIGE ENTWICKLUNG
4.1. Aktuelle Studien und Produktkonzepte
4.2. Forschungsmethode
4.3. Expertenbefragung
4.4. Befragte Experten
4.5. Ergebnisse der Befragung

5. FAZIT

LITERATURVERZEICHNIS

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Grundschema eines Energy Harvesters

Abbildung 2: Microbial Fuel Cell (MFC)

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

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Denkbare Anwendungsgebiete und Vorteile

Tabelle 2: Nutzbare Quellen

Tabelle 3: Abschätzung der erreichbaren Leistungsdichte für die kommenden 10 Jahre

Tabelle 4: Potentielles Marktvolumen für Energy Harvesting

1. Einleitung

In den Medien ist immer wieder von Anwendungen die Rede, bei denen auf un- konventionelle Weise Energie erzeugt wird. So existiert beispielsweise in Lon- don eine Discothek, bei der die Gäste auf der Tanzfläche durch ihre Tanzbewe- gungen 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 Ener- gie umgewandelt. Dieses System wird nun auch von einem Supermarkt ange- wendet. 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 Um- welt 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 wer- den 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 je- weils zugrunde liegende physikalische Effekt erklärt wurde, wird der Stand der Technik dargelegt und die Vor- und Nachteile des Prinzips erläutert. Der ab- schließende dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der zukünftigen Entwick- lung der Technik und des Marktes der energieautarken Systeme. Nach einem Überblick über aktuelle Studien und Produktkonzepte wird theoretisch darge- stellt, welche Forschungsmethode (Expertenbefragung) verwendet werden soll- te, um generellere Aussagen über die Entwicklung des Energy Scavenging tref- fen 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 Entwicklun- gen auf dem Markt zu erhalten.

2. Theoretische Grundlagen

Um die praktischen Anwendungen zu verstehen und einen Ausblick auf zukünf- tige Entwicklungen geben zu können, sind einige theoretische Grundlagen nö- tig. Nach Definition und Abgrenzung wird der Bedarf für Energy Harvesting dar- gelegt. 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) erzeug- te Energie soll in erster Linie keine konventionellen Kraftwerke zur Erzeugung von Strom für die Versorgung der Haushalte und des Verkehrs ersetzen, son- dern 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 nutz- bare elektrische Energie umzuwandeln (siehe Abbildung 1)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Wallaschek, 2007

Abbildung 1: Grundschema eines Energy Harvesters

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 abfal- lenden 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 heran- ziehen. 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 Stand- punktes notwendig. Thema der Arbeit sind die genutzten physikalischen Effek- te, 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.

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 Klimawandel, 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 Energie- quelle zur Versorgung eines ganzen Gebäudes mit Wärme und Strom. Aller- dings 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 Unter- nehmen, in einem Gebäude in Madrid 4200 kabel- und batterielose Lichtschal- ter 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. Anwen- dungsbeispiele 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 hin- reichende Versorgung mit Elektrizität. Gerade in der dritten Welt könnten ener- gieautarke 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 Essens- abfällen oder Dung Energie zu gewinnen. Die Anwendung ist einfach herzustel- len 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 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).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Henderson, 2009

Abbildung 2: Microbial Fuel Cell (MFC)

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)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Hebling, 2007

Abbildung 3: Entwicklung von ausgewählten Computer-Leistungszahlen

Energy Scavenging Systeme könnten dafür sorgen, dass viele Geräte längere Laufzeiten haben. Der größte Vorteil der neuen Energieversorgung liegt in den entwickelten Ländern also vor allem am geringeren Aufwand und der Langlebigkeit der Bauteile.

Harrop (2009) listet die Vorteile des Energy Harvesting in den einzelnen denkbaren Anwendungsgebieten auf (siehe Tabelle 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Harrop, 2009

Tabelle 1: Denkbare Anwendungsgebiete und Vorteile

Mehr als 90% der anvisierten kabellosen Technologie wird allerdings nur realisierbar werden, wenn preisgünstige und praktikable Energy Harvesting Technologien entwickelt werden.

2.3. Energie-Quellen

Nutzbare vorhandene Energiequellen für Energy Harvesting sind vor allem Licht, Wärme und mechanische Vibrationen, aber auch Luftströmungen oder elektromagnetische Strahlung (Niggemann, Michels, & Richter, 2008). Ziel des Energy Scavenging ist das Nutzen von unregelmäßig anfallender Energie aus der Umwelt, die ansonsten ungenutzt bleiben würde. Wie bereits erwähnt, fällt das Nutzen von Sonnenlicht als Energiequelle mittels Photovoltaik in den Be- reich des Energy Harvesting und ist deshalb nicht Bestandteil dieser Arbeit. Wärme kommt beispielsweise als Abwärme bei industriellen Prozessen und als Körperwärme vor, wobei hier vor allem Temperaturunterschiede genutzt wer- den. Die meiste Forschung im Bereich Energy Harvesting findet momentan über Anwendungen statt, die Vibrationen in elektrische Energie wandeln. Es existieren sehr viele Quellen für Vibration, zum Beispiel sich bewegende Men- schen und Maschinen. Bewegungen setzen immer auch Energie frei, die bisher meist ungenutzt blieb. Zahlreiche Forschungen und Entwicklungen zielen daher auf dieses Gebiet ab. Shashank et al. (2009) ordnen die nutzbaren Quellen den Kategorien Menschlicher Körper, Fahrzeuge, Infrastruktur, Industrie und Umwelt zu (siehe Tabelle 2)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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