Die Leistungsanforderungen der Funksensorik stehen, genau wie bei Handys und Laptops, grundsätzlich im Widerspruch zu langer Batterie-Lebensdauer, bzw. geringem Energieverbrauch. Der unvermeidliche Kompromiss in einem konkreten Gerätedesign zielt also darauf ab, die Minimalanforderungen der jeweiligen Zielgruppe mit dem von ihr noch akzeptierten Batterie-Wartungsbedarf in Einklang zu bringen. Die tatsächlichen Energieverbräuche liegen dabei je nach Anwendung sehr weit auseinander. So gewinnt etwa ein per Funk ablesbarer Heizkostenverteiler, der einige Male pro Tag den Zählerstand und eine Identifikationsnummer an einen möglicherweise vorbeifahrenden Empfänger sendet, aus einer kleinen Foto-Batterie mit wenigen 100mAh eine Lebensdauer von deutlich über zehn Jahren. Das entspricht einem Durchschnittsverbrauch in der Größenordnung von 10µW – und macht einen Energy Harvester überflüssig, obwohl doch die Primärenergie so nah ist. Mit einer einzigen Batterie für die gesamte Geräte-Lebensdauer kann derzeit kein Harvester konkurrieren. Ein aktueller WirelessHart Funksensor ist dagegen in ein industriell verwendetes Maschen-Netzwerk eingebunden; regelmäßige, sichere Datenlieferung und -Weiterleitung ist unverzichtbar. Neben seiner primären Messaufgabe und Selbstüberwachung mit einem üblichen Duty Cycle zwischen 5 und 10s muss er typisch etwa drei benachbarte Sensorsignale und deren jeweilige Statusinformationen verschlüsselt und mit sehr hoher Übertragungssicherheit weiterleiten. Er benötigt dafür am anderen Ende der Energiebedarfsskala, im Falle eines üblichen Duty Cycles, mit 2 bis 5mW die bis zu 500-fache Energie des Heizkostenverteilers. Mit einem ca. 20Ah Batteriesatz erreicht ein solches Gerät eine wartungsfreie Betriebsdauer von zwei bis fünf Jahren, je nach Einsatzfall und Betriebsbedingungen. Den weitaus größten Einfluss auf den Energieverbrauch übt allerdings, ähnlich dem Gasfuß des Autofahrers, auch in der Funksensorik der Anwender aus. Mit seiner Anforderung an den Arbeits- Mess- oder Nutzzyklus legt er den absoluten Energiebedarf des Funksensors letztlich fest. Vielfach aus Gewohnheit und ohne viel Nachdenken werden hier oftmals unnötig hohe Abtastraten gefordert, weil man dies von verdrahteten Geräten so gewohnt ist, und Richtlinien über je nach Anwendung sinnvolle Abtastraten fehlen. Zu kurze Arbeitsintervalle gehen nicht nur voll zu Lasten der Batterie, sondern es werden auch Berge unnützen Datenmülls erzeugt, die nicht selten den Blick auf das verstellen, was man eigentlich erreichen wollte: Eine untypische Abweichung vom Sollwert oder dem Normalzustand rechtzeitig zu erkennen. Um eine solche Überwachungsfunktion zu gewährleisten, genügt es jedoch, die Abtastrate, also den Duty Cycle, so einzustellen, dass eine Abweichung so früh erkannt wird, dass Zeit für eine angemessene Reaktion bleibt. Bestimmend dafür ist die Geschwindigkeit, mit der eine solche Abweichung schlimmstenfalls entstehen und eskalieren kann. Weniger ist in diesem Zusammenhang oft also mehr. Für von derlei Abwägungen gebeutelte Entwickler und Anwender bietet Energy Harvesting die Möglichkeit, sich aus der Energieklemme zumindest ein Stück weit, sehr oft aber auch gänzlich, zu befreien. Statt Batterien werden Harvester verwendet, die den durchschnittlichen Energiebedarf des Funksensors möglichst sicher decken können. Ist ständige Verfügbarkeit des Sensors unter allen Betriebsbedingungen gefordert, ist der Einsatz einer Batterie schwierig zu umgehen. Ihre Lebensdauer kann aber deutlich verlängert werden, indem ein Rückgriff darauf nur im Fall des Ausfalls der Primärenergie, z.B. während Störungen oder geplanter Stillstände, erforderlich wird. Die wartungsfreie Lebensdauer eines solchermaßen \’ausfallgesicherten\‘ Funksensors ist damit überweigend von der nutzungsunabhängigen Selbstentladung der verwendeten Batterie abhängig. Im günstigsten Fall erreicht sie mittels eines Lebensdauer-optimierenden Batterie-Managements gar die Lebensdauer des Geräts, sodass dieses wiederum wartungsfrei wird. Energieoptimierter Harvester Um die vollständige Deckung des Energiebedarfs für möglichst viele, auch anspruchsvolle Funksensoren sicherzustellen, hat Micropelt eine energieoptimierte Energiequelle entwickelt. Der als Nahfeld-Harvester kategorisierte TE-Power Probe hat etwa die Form und Größe eines schlanken Heizkörperventils, und wird mittels eines kurzen Kabels an ein Endgerät angeschlossen. Eine optimierte Energieversorgung wird mit dieser Gerätekategorie über die Harvesting-Leistung hinaus dadurch erreicht, dass die im näheren Umfeld des Verbrauchers am besten geeignete Wärmequelle genutzt werden kann. Diesen \’Hot-Spot\‘ kann man zuvor z.B. mit dem TE-Power Node, mit eine Infrarotkamera oder durch Punktmessungen ermitteln, je nachdem, ob die Wärmeverfügbarkeit als eher konstant oder aber erheblich wechselnd eingeschätzt wird. Ein optimierter thermischer Pfad und zwei Verbindungsoptionen zur Wärmequelle sorgen selbst im schlechtesten Fall für eine Verdoppelung der verfügbaren Energie im Vergleich zum TE-Power Node. Leistung en Masse – Probe/t Die Standard-Variante des TE-Power Probe lässt sich in einen an der Wärmequelle angebrachten Adapter oder direkt in die Wärmequelle einschrauben, sodass nur relativ geringe thermische Übergangsverluste auf dem Weg zum TEG-Chip entstehen. Auf der anderen Seite sorgt ein ins Gerätedesign voll integrierter, von einer Heatpipe unterstützter, Aluminium-Kühlkörper für eine effektive Wärmeabfuhr. Die Heatpipe bietet den Vorteil, dass der auf nur 12mm² Fläche gelieferte Wärmestrom nahezu sofort in einen viel Wärme absorbierenden Phasenwechsel, die Verdampfung von Wasser, umgesetzt wird. Diesem im Inneren der Heatpipe stattfindenden Vorgang folgt dann die die Rück-Kondensation des Wasserdampfs überall dort, wo Kontakt zwischen der kupfernen Hülle und dem Kühlkörper besteht – was nahezu auf der ganzen Länge und dem kompletten Umfang der Heatpipe der Fall ist. Um 10K Netto-Temperaturdifferenz, also 1,4V Leerlaufspannung am TEG, zu erzeugen, benötigt dieser Thermoharvester nur etwa 20K als Brutto-Gradienten zwischen \’Heißseite\‘ und Umgebungsluft. Am Ausgang des Gleichstromwandlers steht dann schon mehr als 1mW netto für ein Endgerät zur Verfügung, je nach benötigter Betriebsspannung ein \’Gegenwert\‘ von 3 bis 4AA-Batterien pro Jahr. Energie aus dem Fluid – Probe/f Optimale Wärmequellen funktionieren ähnlich wie Heizungen. Wenn ein heißes, strömendes Medium ständig neue Wärmeenergie für den Harvester liefert, können die ansonsten unvermeidliche Abkühlung der Entnahmestelle und auch die Koppelverluste an der Schnittstelle zur Primär-Energiequelle weitgehend entfallen. Dieses Harvesting-Szenario findet sich an tatsächlichen Heizkreisläufen, in der Hydraulik, an vielen Verrohrungen in der Prozesstechnik, sowie an Schmier- und Kühl-Kreisläufen. Micropelt hat für solche Fälle den thermisch direkt ans Fluid koppelbaren TE-Power Probe/f entwickelt. Zum druckdichten Anschluss des an der wärme aufnehmenden Stirnseite gerippten Kupferzapfens dient hier ein einfaches T-Stück mit einer 15mm-Quetschverschraubung. Die Temperatur des Fluids kann für die gleiche Energieausbeute einige Grad geringer ausfallen als eine \’Festkörper-Heißseite\‘ – und sie ist gegen Korrosion unanfällig. Energiespeicher für die Arbeitslast Während typische Harvester-Ausgangsleitungen im Bereich einiger Hundert Mikrowatt bis einiger Milliwatt liegen, gewinnt der TE-Power Probe aus einem Brutto-Gradienten von 80K etwa 20mW. Dem gegenüber sind zur Datenübertragung durch ULP-Funksysteme Spitzenleistungen von etwa 40mW bis zu einigen 100mW erforderlich. Solche Strompulse können von keinem Harvester direkt erzeugt werden. Deshalb wird der Teil des vom Gleichstromwandler kommenden Energiestroms, der nach Versorgung des Ruhemodus des angeschlossenen Systems noch übrig bleibt, zunächst in einem geeigneten Energiespeicher gesammelt. Im einfachsten Anwendungsfall, wenn die Energie lediglich für den nächsten Nutzzyklus reichen muss, genügt der ohnehin vorhandene Puffer- Kondensator. Soll der Energiespeicher auch Reserven für Zeiten mangelnder oder gänzlich Primärenergie vorhalten, ist deutlich mehr Kapazität gefragt. Für viele Anwendungen stehen Lösungen zur Verfügung, die geringe Ladeströme aufnehmen und zum Teil recht hohe Impulsleistungen liefern können. Das energieautarke Wireless-Ökosystem Funksensorik in der hier vorgestellten Ausprägung und Zielrichtung ist eine Technologie, die ihren Markt zur Zeit zu entwickeln beginnt, Energy Harvesting-Technologie als praktisch nutzbare Energieversorgung für die Funksensorik ist noch jünger. Folglich entwickeln sich die Zielmärkte noch recht langsam. Im Energy Harvesting-zentrierten \’Ökosystem\‘ finden sich Hersteller von ULP-Funkchips, Microcontrollern und Kombilösungen wie TI, Atmel oder Microchip. Neuartige Dünnschicht-Akkus werden von Herstellern wie IPS, Cymbet, ST oder GS Nanotech entwickelt. Neue Power-Management-ICs (PMICs) von Linear Technology, Maxim und anderen regeln die Energieflüsse und übernehmen immer mehr auch die Wandlung der primaren Harvester-Energie in die vorgesehene Festspannung. Wireless-Systemintegratoren wie IMST, die niederländische Vitelec oder Dresden Elektronik, haben erste eigene Komplettlösungen mit autarker, batterieloser Energieversorgung auf Basis des TE-Power Node umgesetzt, und bieten diese Erfahrungen nun den Unternehmen an, die eigene Lösungen entwickeln wollen, aber nicht über die erforderlichen Ressourcen verfügen. Auch gibt es eine Zusammenarbeit mit Funksensor-OEM-Herstellern wie ABB, Emerson Process Management oder Pepperl & Fuchs, die ihre vorhandenen Produkte schrittweise mit Energy Harvesting kompatibel machen, und neue, von vornherein auf dauerhafte Autarkie – und damit Energy Harvesting-Betrieb – ausgelegte Funksensoren entwickeln. GE Energy hat kürzlich einen ersten, auf dem ISA100 Protokoll basierten Condition-Monitoring Funksensor mit generischer Energy Harvesting-Schnittstelle vorgestellt, der in ersten Tests auch mit dem TE-Power Probe in Standardausführung betrieben werden konnte. Auch mit dem neuen WirelessHart-Transmitter von Pepperl & Fuchs verliefen die Tests erfolgreich, nachdem das Power Conditioning mit einem CapXX-Energiespeicher entsprechend angepasst wurde. Gemeinsam mit Shell und Emerson wurde in einem Feldtest ein erster Nachweis erbracht, dass der TE-Power Probe für die alleinige Energieversorgung eines WirelessHart Differenzdrucktransmitters geeignet ist. In Kooperation zwischen ABB und Micropelt wurde kürzlich ein energieautarker WirelessHart Temperaturtransmitter mit voll integrierter TEG-Energieversorgung als, mittlerweile preisgekrönter, Technologieträger vorgestellt. Fazit & Ausblick Thermoharvesting bietet für viele autarke Systeme, Funksensoren und auch andere drahtlose Kleinverbraucher nicht nur eine Alternative, die Batterieverbrauch, Wartungsaufwand und Umweltbelastungen deutlich reduzieren kann. Mit hoher Wahrscheinlichkeit wird durch Energy Harvesting versorgte, autarke Funksensorik ein neues Kapitel der Messtechnik zur Produktion-, Energie- und Ressourcenoptimierung aufschlagen. Die Konvergenz von hochintegrierter Mikroelektronik und moderner MEMS-Sensorik mit extrem niedrigem Energiebedarf auf der einen und kompakten thermischen und auch mechanischen Energy Harvestern mit passendem Energieangebot auf der anderen Seite eröffnet viele Möglichkeiten, die zu ähnlich grundlegenden Veränderungen führen werden, wie die Einführung des Mobiltelefons. Funksensorik wird schon bald einen wesentlichen Beitrag leisten, um Anlagen und Prozesse stets nach Istzustand zu betreiben und zu warten. Bereits heute gibt es eine Vielzahl geeigneter Funk-Sensorsysteme auf Produkt und OEM-Modulebene, die mit Thermo- oder Vib-rationsharvestern sinnvoll betrieben werden können.
Micropelt GmbH
