Energie zum Nulltarif - wissenschaft.de
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Astronomie+Physik Technik+Digitales

Energie zum Nulltarif

Strom aus dem Schuh, MP3-Player ohne Batterien: Forscher arbeiten an autarken Geräten, die ihren Energiebedarf aus der Umwelt decken können. Es ist der Beginn einer technischen Revolution rund um den Globus.

Sie läuft und läuft und läuft. Kein Aufziehen, keine Batterie ist erforderlich. Denn die Tischuhr „Atmos“ der Schweizer Uhrenmanufaktur Jaeger-LeCoultre bezieht ihre gesamte Energie aus Temperaturänderungen ihrer Umgebung. Das offizielle Staatsgeschenk des Alpenlandes geht auf eine Erfindung des Schweizer Ingenieurs Jean-Léon Reutter aus dem Jahr 1928 zurück. In der Uhr befindet sich – eingeschlossen in einer balgartigen Kammer – ein Gas, das sich bei steigender Temperatur ausdehnt und dadurch das mechanische Werk antreibt. Schon eine Temperaturänderung von einem Grad Celsius reicht aus, damit die Uhr zwei Tage läuft. Für den Betrachter sieht es so aus, als beziehe die Atmos ihre Energie aus dem Nichts. Tatsächlich glaubte der britische Erfinder James Cox, der im 18. Jahrhundert eine atmosphärische Uhr gebaut hatte, dass ihm ein echtes Perpetuum mobile gelungen sei. In Wirklichkeit entziehen solche Uhren ihrer Umgebung Energie, stehen also keineswegs in Widerspruch zur Haltung des Deutschen Patent- und Markenamtes, das keine Patente auf Perpetua mobilia erteilt.

Doch die Vision einer Energieversorgung ohne Kabel und Batterie hat durch die Jahrhunderte immer wieder Menschen inspiriert. Uhren scheinen dafür ein besonders dankbares Objekt zu sein: Seit den 1920er-Jahren werden sogenannte Automatik-Armbanduhren produziert, die sich durch die Bewegung des Handgelenks selbstständig aufziehen. Eine Schwungscheibe in der Uhr gerät durch die Bewegung in Rotation und spannt so eine Feder, die die gespeicherte mechanische Energie nach und nach an das Zeigerwerk abgibt.

KÖRPERWÄRME FÜR DIE ARMBANDUHR

Die japanische Firma Seiko hat das Konzept in den 1990er-Jahren weiterentwickelt und eine batterielose Armbanduhr auf den Markt gebracht, die ihren Energiebedarf aus der Körperwärme ihres Trägers deckt. Zur gleichen Zeit kamen die ersten Quarzuhren auf den Markt, die allein durch Solarzellen auf dem Ziffernblatt mit Strom versorgt werden, sowie Taschenrechner, die ihren Energiebedarf nach demselben Prinzip decken. Bei Campingausrüstern findet man heute Taschenlampen, die eine Weile leuchten, nachdem man mithilfe einer Handkurbel über einen Dynamo einen Kondensator aufgeladen hat. Alle diese Geräte nutzen Energie, die in ihrer Umgebung bereits vorhanden ist – in Form von Licht, Temperaturunterschieden, Bewegungen oder Vibrationen. Im englischen Sprachraum hat sich hierfür der Begriff „Energy Harvesting“ etabliert, „Ernten von Energie“.

Auch der Mensch kann, wie das Beispiel der Armbanduhren zeigt, beim Energie-Ernten als Quelle dienen. „Eine Person durchschnittlicher Größe speichert so viel Energie im Körperfett wie eine 1000 Kilogramm schwere Batterie“, zog der Biomechaniker Max Donelan letztes Jahr in der Fachzeitschrift „Science“ einen anschaulichen Vergleich. Um dieses Energiereservoir wenigstens ein bisschen anzuzapfen, stellten Donelan und seine Kollegen von der kanadischen Simon Fraser University einen ausgeklügelten Generator vor, der allein aus der Muskelkraft seines Trägers genügend elektrische Energie für ein zehnminütiges Handytelefonat erzeugte – ohne dass die Probanden hinterher erschöpft waren. Die Wissenschaftler schnallten sich dazu an jedes Knie eine mechanische Vorrichtung, die so konstruiert war, dass sie über den gesamten Bewegungsablauf einen Teil der mechanischen Energie von den Muskeln des Trägers abzweigte. Einziges Problem: Der Generator wiegt pro Bein 1,6 Kilogramm. Die Kanadier haben inzwischen ein Unternehmen gegründet, das die Technologie weiterentwickeln und vermarkten will.

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Generator im Sportschuh

Bereits in den 1990er-Jahren stellten der Physiker Joseph A. Paradiso und seine Arbeitsgruppe am amerikanischen Massachusetts Institute of Technology einen Generator vor, der in die Sohle eines Sportschuhs passte. Das Herzstück bildeten Piezoelemente, die sich durch das Gewicht des Läufers zusammendrücken ließen. Sie wandelten die mechanische Energie in elektrische um, sodass der Schuhgenerator im Mittel 60 Milliwatt elektrische Leistung lieferte – genug für zwei bis drei Leuchtdioden. Weitere Schuhgeneratoren folgten.

Immer mehr Unterhaltungselektronik arbeitet mit Batterien, deshalb ist es verlockend, den Menschen als Energiequelle anzuzapfen. Doch die genannten Beispiele zeigen, dass es noch viele Hürden gibt. Oft ist auch ungeklärt, wie sich die erzeugte elektrische Energie möglichst verlustfrei und komfortabel zur relevanten Stelle transportieren lässt. Eric M. Yeatman, Professor für Micro Engineering am Imperial College in London, kommt daher im Fachblatt „Proceedings of the IEEE“ (Institute of Electrical and Electronics Engineers) zu dem Schluss, dass „die Energie-Ernte aus Körperbewegungen jeglicher Art heute bei Weitem nicht die Leistungswerte erreicht, um für praktische Anwendungen interessant zu sein“.

Schlecht sieht es demnach für Notebooks aus, da sie eine hohe elektrische Leistung von 10 bis 40 Watt über Stunden erbringen müssen. Bei Mobiltelefonen oder MP3- Playern stehen die Chancen aus Sicht der Briten besser, da die erforderliche Leistung bei höchstens einigen Watt beziehungsweise einigen Hundert Milliwatt liegt. Das Anwendungsgebiet mit dem höchsten Potenzial für Energie-Ernter ist laut dem britischen Wissenschaftler die Sensorik.

Ähnlich denkt Peter Woias, Professor für „Konstruktion von Mikrosystemen“ am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und Sprecher des dortigen Graduiertenkollegs „Micro Energy Harvesting“: „In der Sensorik gibt es neue Szenarien, die mit der heutigen Technik nicht oder nur schwer zu verwirklichen sind. Dagegen lassen sich MP3-Player oder Handys recht gut mit Akkus oder Batterien betreiben.“ Das IMTEK wirkt an einem Projekt mit, bei dem Tunnel mit einem Netzwerk aus Sensoren ausgestattet werden sollen, um kritische Situationen – etwa eine Explosion oder die Bildung von Rissen – automatisch erkennen zu können. „Wenn man in einem kilometerlangen Tunnel alle fünf Meter einen Überwachungssensor setzen will, ist das ein gewaltiger Aufwand für die Verkabelung“, erläutert Woias. „Batterien wiederum haben den Nachteil, dass sie regelmäßig gewechselt werden müssen.“ Daher experimentieren die Projektbeteiligten mit energieautarken Sensoren, die das IMTEK entwickelt hat. Derzeit testen sie diese Sensoren im österreichischen Arlberg-Tunnel. „Die durchfahrenden Züge erzeugen genügend Vibrationen, um den Energiebedarf der Sensoren decken zu können“, erklärt Peter Woias.

BIOENERGIE FÜR HERZSCHRITTMACHER

Ähnliche Probleme gilt es in der Fabrikautomatisierung zu lösen: Moderne Fertigungsstraßen und Produktionsanlagen arbeiten mit einer fast unüberschaubaren Zahl von Sensoren. Eine Verkabelung schlägt sich in hohen Investitionen nieder, Batterien in hohen Wartungskosten. In der Medizintechnik gibt es verwandte Probleme: „Die Batterie eines Herzschrittmachers arbeitet maximal Jahre, dann muss der Patient wieder unters Messer“, sagt Woias. Ließe sich eine implantierbare Biobrennstoffzelle entwickeln, die elektrische Energie aus der Glukose im menschlichen Körper erzeugt, bekäme der Herzschrittmacher die Energie problemlos geliefert.

Gemeinsam ist all diesen Szenarien, dass sie noch in den Kinderschuhen stecken. „Vor zehn Jahren haben die Pioniere die ersten Generatoren für das Micro Energy Harvesting entwickelt“, sagt Woias. „Heute forscht die Wissenschaft noch immer an neuen Generatorprinzipien. Aber es geht nun mehr und mehr darum, die bestehenden Generatoren zu optimieren, zu miniaturisieren und Gesamtsysteme zu entwerfen.“ Da stehe man noch ganz am Anfang. „ Die Elektronik solcher Geräte muss extrem energieeffizient arbeiten“, sagt Woias. Um das Problem zu verdeutlichen, wählt der Ingenieur einen fiktiven, aber durchaus realistischen energieautarken Sensor, mit dem sich die Temperatur eines Motors kontrollieren ließe: „Er bezieht seine Energie aus den Vibrationen, misst jede Sekunde die Temperatur und funkt den Wert dann an eine Auswerteeinheit.“ Wenn er noch nicht energieoptimiert arbeitet, benötigt der Sensor hierfür 100 Mikrowatt Leistung. Zum Vergleich: Ein Schwingquarz in einer Armbanduhr kommt mit einem Mikrowatt aus. Wenn derselbe Sensor jedoch nicht nur jede Sekunde, sondern bereits alle 100 Millisekunden einen Wert ermitteln und weiterfunken soll, steigt der Leistungsbedarf schnell auf 1 bis 10 Milliwatt. Forschungseinrichtungen wie das IMTEK packen das Problem von verschiedenen Seiten an: Wie lässt sich mechanische, thermische oder chemische Energie aus der Umgebung möglichst effektiv in nutzbare Energie für das System umwandeln? Welche neuen Materialien sind erforderlich? Und wie muss das gesamte System aus Energiewandler, -speicher und -verbraucher für eine bestimmte Anwendung abgestimmt sein?

GELDVERDIENEN MIT ENERGIE-ERNTE

Europa steht in diesem Rennen um eines der künftigen technischen Wachstumsfelder inzwischen ganz gut da. Das Bundesministerium für Forschung und Technologie, die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die EU fördern entsprechende Projekte. Auch amerikanische und japanische Forschungseinrichtungen arbeiten intensiv an Verfahren und Geräten für das Energy Harvesting. Die Zahl der einschlägigen Wissenschaftskonferenzen ist in den letzten Jahren deutlich gestiegen. Trotz des ungebrochenen Bedarfs an weiterer Forschung gibt es bereits Unternehmen, die Energie-Ernter im großen Stil verkaufen. Zum Beispiel EnOcean aus Oberhaching bei München: Die 2001 von ehemaligen Siemens-Mitarbeitern gegründete Firma vertreibt Produkte zur Gebäudeautomatisierung. EnOcean ist risikofinanziert, auch Siemens gehört zu den Gesellschaftern. „80 Prozent unseres Geschäfts mit energieautarken Funksendemodulen machen wir mit Schaltern, den Rest mit Sensoren für Temperatur, Bewegung und Helligkeit“, sagt Armin Anders, der das Unternehmen mitgegründet hat und das Produktmarketing leitet. EnOceans Funkschalter enthalten einen elektrischen Mini-Generator, der einen ins Gehäuse integrierten Sender mit Strom versorgt. Aus einem einfachen Fingerdruck erzeugt der Generator ausreichend Energie, damit der Schalter funken kann. Auf diese Weise lassen sich Lichtschalter realisieren, aber zum Beispiel auch ein batterieloser Steuerknopf für die Dusche.

Die EnOcean-Sensoren arbeiten mit einer drei Quadratzentimeter kleinen Solarzelle, der bereits das Licht in einer schummrigen Zimmerecke ausreicht, um daraus genügend elektrische Energie zu gewinnen. „Für eine Funkübertragung braucht man nur winzige Energiemengen von 50 Mikrojoule“, verdeutlicht Anders. „Das ist mit dem Anheben eines Gewichts von einem Gramm um fünf Millimeter vergleichbar.“ EnOcean-Funkmodule sind laut Hersteller inzwischen in mehr als 100 000 Gebäuden auf der ganzen Welt verbaut: zum Beispiel im Münchner Hotel Platzl, in der Dresdner Semperoper, im Hotel Kempinski in den Vereinigten Arabischen Emiraten oder bei Philips in São Paulo. „Allein für Europa und die USA sehen wir ein Potenzial von 300 Millionen Einheiten pro Jahr“, sagt Anders.

VERBORGENE RAFFINESSE

Kurz vor der Marktreife steht ein thermisch betriebener Aktor, ein Stellglied, mit dem sich das Ventil eines Heizkörpers schließen lässt. Mit ihm kann man Heizkörper nachrüsten, damit sie sich automatisch abschalten, wenn jemand ein Fenster öffnet. Als Energiewandler dient in dem Aktor ein sogenanntes Peltierelement, das seine Energie aus dem Temperaturunterschied zwischen Heizkörper und Raum bezieht. Zwei Grad Differenz reichen dafür aus. Bei fünf Grad Temperaturunterschied schafft der Aktor sogar 400 Mikrowatt. „Das eigentliche Verstellen des Ventils erfordert relativ viel Energie“, erklärt Anders, „sodass das künftige Produkt die meiste Zeit in einem Schlafmodus verweilen wird, in dem es kaum Strom verbraucht. Ein integrierter Timer wird den Aktor regelmäßig wecken, damit er das Ventil nachstellen kann.“ Dank dieses Energiemanagements kommt der Aktor mit dem knappen Budget aus.

Von solchen technischen Raffinessen wird der Nutzer nichts bemerken. Für ihn schaltet sich die Heizung einfach „irgendwie“ situationsbezogen ab – und hilft beim Energiesparen. Da geht es den energieautarken Mikrosystemen nicht anders als den atmosphärischen Uhren: Man sieht ihnen nicht an, wie raffiniert sie sind. Aber im Gegensatz zur Schweizer Atmos geben Mikro-Energie-Ernter gar nichts fürs Auge her – und haben daher auch wohl nicht das Zeug zum offiziellen Staatsgeschenk. ■

MICHAEL VOGEL ist freier Wissenschaftsjournalist und regelmäßiger Autor für Technik- und Physik-Themen in bild der wissenschaft.

von Michael Vogel

KOMPAKT

· Ohne Kabel oder Batterie funktioniert bislang kein elektronisches Gerät.

· Doch Wissenschaftler können mit gewieften Verfahren die Energie in unserer Umgebung oder gar den Menschen selbst als Quelle anzapfen.

· Am meisten dürften Funkmodule und die Sensorik von dem Ansatz profitieren.

Gut zu wissen: Energy Harvesting

Beim Energy Harvesting wird meist mechanische Energie oder die Wärme der Umgebungsluft in elektrische Energie umgewandelt. Die Energie kann aus Bewegungen, Vibrationen oder Luftströmungen stammen. Als elektromechanische Wandler dienen stromdurchflossene Spulen, die sich in einem Magnetfeld bewegen (Prinzip des Generators), oder Kondensatoren. Oder Piezoelemente: Sie erzeugen aufgrund ihrer Materialeigenschaften aus mechanischem Druck elektrische Spannung.

Um die Umgebungswärme nutzen zu können, verwenden Techniker thermoelektrische Elemente, die einen Temperaturunterschied in eine Spannung umwandeln können. Auch an Biobrennstoffzellen wird geforscht, die zum Beispiel mithilfe der Glukose des Körpers Strom erzeugen könnten.

Gemeinsam ist allen Verfahren des Energy Harvesting, dass man sich mit geringen Leistungen zufriedengeben muss. Beim Gehen stünde am Schuhabsatz ungefähr ein Watt mechanische Leistung zur Verfügung, das Knie wäre für immerhin maximal 50 Watt gut. Dabei fällt die Energie jedoch an Stellen an, etwa am Absatz, wo sie nicht sinnvoll zu nutzen ist. Und es kommt zu beträchtlichen Energieverlusten bei der Wandlung. Außerdem sind viele der bisherigen Energie-Ernter mit hohen Leistungen recht schwer und unkomfortabel. Anders in der Sensorik: Hier kommt man mit sehr viel geringeren Leistungen im Bereich von Mikrowatt aus. Daher lassen sich dort praktische Anwendungen leichter verwirklichen.

Flexibel bei der Planung

Sie haben zu Hause keine klassischen Lichtschalter oder Heizungsregler, Herr Rothermel. Hat sich das bewährt?

Alles arbeitet per Funk und bezieht die erforderliche Energie aus einem Fingerdruck oder dem Umgebungslicht. Das läuft völlig reibungslos.

Was hat der Spaß gekostet?

Wir hatten uns für eine komplette Hausautomatisierung entschieden – Heizung, Rollläden und Licht lassen sich also zentral steuern. Wenn ich allein die Kosten für Rohre, Leitungen und Digitaltechnik, die wegen der zentralen Steuerung für jeden Lichtschalter oder Heizungsregler erforderlich sind, mit der Funklösung vergleiche, wäre uns der konventionelle Ansatz teurer gekommen. Wohlbemerkt: bereits ohne die Arbeitszeit für die Unterputzleitungen.

Aber vermutlich geht die Rechnung nur auf, wenn man sein Haus sowieso automatisieren möchte?

Ja, ansonsten wären die Funkschalter vermutlich teurer als klassische Schalter mit Unterputzleitung.

Was spricht noch für die energieautarke Lösung?

Wir mussten uns bei der Planung des Hauses überhaupt keine Gedanken darüber machen, wo wir später die Lichtschalter haben möchten. Als die Zimmer eingerichtet waren, konnten wir die Schalter einfach dort ankleben, wo wir sie wirklich benötigen. Fast jeder Bauherr kann ein Lied davon singen, dass Schalter oder Steckdosen später am falschen Fleck sitzen. Selbst auf einer Tür haben wir einen Schalter angebracht – versuchen Sie das mal mit einer klassischen Verkabelung.

MEHR ZUM THEMA

Lesen

Umfassende Einführung mit mathematischen Hintergründe: Shashank Priya, Daniel J. Inman (Hrsg.) Energy Harvesting Technologies Springer, Berlin 2009, € 159,43

Aktuelle wissenschaftliche Überblicksbeiträge: Monika Müller et al. Micro Energy Harvesting: Stand der Technik in Industrie und Wissenschaft Proc. Ambient Assisted Living Kongress, 27.-28. Januar 2009, Berlin www.vde-verlag.de/data/ prcd.php?docid=453138066&loc=de

Paul D. Mitcheson et al. Energy Harvesting From Human and Machine Motion for Wireless Electronic Devices Proceedings of the IEEE, Bd. 96, Nr. 9, s. 1457–1486 (2008) eprints.imperial.ac.uk/bitstream/10044/ 1/1219/1/proc_IEEE_08.pdf

Internet

Online-Journal des Marktforschungsunternehmens IDTechEx zur Energieernte: www.energyharvestingjournal.com

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