Teil1: Thermoharvesting Energieversorgung für drahtlose Sensorik

Eine der aus dem Streben nach mehr elektronischer Effizienz hervorgegangenen Technologien hat sich inzwischen unter dem Sammelbegriff Ultra-Low-Power(ULP) Wireless etabliert. Ihr wird in der Sensorik und Maschine-zu-Maschine (M2M) Kommunikation ein ähnliches Wachstumspotenzial zugetraut, wie der Mobilfunktechnik. Immer mehr Sensoren werden zudem in der gegenüber herkömmlichen Messsystemen energieeffizienteren und kompakteren MEMS-Technologie verfügbar, und erschließen der Kombination Sensor plus Microcontroller plus Funkübertragung neue Anwendungsgebiete. Diese finden sich in Bereichen, wie Smart Metering, Gebäudetechnik, Umwelttechnik und Strukturüberwachung bis hin zur Automation, Zustands- und Prozessüberwachung in der Industrie. Die meisten ULP-Wireless-Systeme nutzen einen Funk-Chip nach dem Standard IEEE 802.15.4, der 2,4GHz ISM-Band nutzt. Mit einer Übertragungsrate von typisch 250kBit pro Sekunde eignet sich dieser Standard für Übertragungen mit geringem Datenvolumen, wie Messdaten, die nicht kontinuierlich, sondern in meist regelmäßigen Abständen erfasst und übertragen werden. Auf dieser Norm basiert inzwischen eine große Zahl von Chip­architekturen und Microcontroller-integrierten Funkmodulen. Standardisierte Protokolle wie RF4CE, ZigBee und WirelessHart setzen ebenso darauf auf, wie viele proprietäre Protokolle und individuelle Funklösungen. Auf allen Ebenen gibt es erhebliche Anstrengungen zur weiteren, oft anwendungsspezifischen Standardisierung, denn damit sinken Aufwand, Kosten und Risiken für die Hersteller. Das Wireless Sensing Paradigma Insbesondere auf dem Gebiet der industriellen Prozess- und Zustandsüberwachung lassen sich mit Hilfe der drahtlosen Sensortechnik wirtschaftliche Potentiale erschließen. Manche Stimmen sehen hier gar die letzte noch ausstehende industrielle Rationalisierungswelle: Viele Prozesse könnten sehr viel genauer und effizienter gefahren werden, wenn lückenlose Messdaten entlang der Prozesskette verfügbar wären. Die Energieeffizienz von Maschinen, Anlagen und Prozessen, ihr Nutzungsgrad und die Anlagenverfügbarkeit ließen sich verbessern, die Wartungskosten und Betriebsrisiken senken, wenn die Wartung und Instandhaltung flächendeckend auf einen zustandsbasierten Ansatz umgestellt würde. Die Voraussetzungen für einen solchen Paradigmenwechsel sind oft schon vorhanden, denn viele Hersteller von Anlagen und Komponenten verfügen über Systeme und Algorithmen, die Maschinenzustände und tatsächliche Wartungserfordernisse exakt erfassen und auswerten können. Bis heute sind diese Systeme aufgrund geringer Stückzahlen jedoch verhältnismäßig teuer, und werden deshalb nur bei hochwertigen oder systemkritischen Anlagen stationär eingesetzt. Der aktuelle Trend geht aber bereits in eine größere Abdeckung der Anlagenüberwachung. Mobile Messsysteme und \’Active RFID\‘ genannte Datenlogger zur drahtlosen Auslesung gesammelter Messdaten aus kurzen Entfernungen werden zunehmend eingesetzt, um die Verfügbarkeit und den Wartungsbedarf auch weniger kritischer Anlagen abzusichern. Will man allerdings eine praktisch lückenlose Absicherung gewährleisten ist eine dauernde Überwachung unumgänglich. Notwendig sind dazu Sensoren, die relevante Maschinen- und Prozess-Parameter in geeigneten Zeitabständen erfassen, und die gewonnenen Daten in entsprechender Form zur Prozessoptimierung und Maschinen-Zustandsauswertung zur Verfügung stellen. Wird ein solcher Ansatz konsequent verfolgt, ergibt sich eine hohe Zahl von Messpunkten. Dennoch, und obwohl niemand bezweifelt, dass deutlich über 50% der derzeitigen Instandhaltungsausgaben vollkommen nutzlos sind, steht die flächendeckende Anwendung der Funksensorik zur Zustandsüberwachung und Prozessoptimierung nach wie vor aus. Warum? Begrenzte Energie – die Batterie Die treibende Kraft funkgestützter Applikationen ist den meisten Fällen ein Batteriesatz, denn die wesentliche Motivation, Funk zu verwenden, besteht, neben der Mobilität, in der Regel darin, auch bei stationären Geräten auf Kabel verzichten zu können. Akkus scheiden als Energiequelle aus, denn ein festinstalliertes Gerät kann nicht regelmäßig in eine Ladestation gestellt werden, und niemand wird, in welchen Zeitabständen auch immer, Akkus tauschen wollen. Aber auch Batterien haben den entscheidenden Nachteil einer endlichen Lebensdauer. Für Consumer-Produkte ist ein gelegentlicher Batteriewechsel ein akzeptiertes Übel, aber sobald institutionelle oder industrielle Anwender sich der Notwendigkeit gegenüber sehen, an hunderten oder gar tausenden Geräten regelmäßig die Batterien tauschen und entsorgen zu müssen, ist der Reiz der drahtlosen Freiheit schnell dahin, denn insbesondere die enormen Sekundäreffekte der Funksensorik sind noch nicht zum Allgemeingut der Kalkulatoren geworden. Energy Harvesting Einen Ausweg aus dieser speziellen \’Energiekrise\‘ bietet die sogenannte Energy-Harvesting-Technologie. Energy Harvesting bezeichnet die Wandlung von Verlust-, Abfall- oder Überschuss-Energie in nutzbare elektrische Energie. Abwärme, Maschinen-Schwingungen, Magnetfelder, oder Licht werden zum Betrieb von ULP-Elektronik nutzbar gemacht. Damit soll der Zwang zu möglichst geringem Energieverbrauch draht­loser ULP-Systeme entschärft und gleichzeitig die Batterie-Wartungskosten dauerhaft eliminiert, oder die allfälligen Batterie-Wartungszyklen zumindest erheblich verlängern werden. Da diese Primär-Energien nicht eigens erzeugt werden, kann man die vom Harvester erzeugte Energie als kostenlos ansehen, sodass der Gesichtspunkt des Wirkungsgrads praktisch keine Rolle spielt, solange die gewonnene Energie sinnvoll genutzt werden kann. Unterschiedliche Hersteller aus Europa und den USA sind inzwischen mit verschiedenen Varianten des Energy Harvesting auf den Markt gegangen und haben damit den Paradigmenwechsel in der ULP-Energieversorgung in Gang gebracht. Thermoharvesting Thermisches Energy-Harvesting, inzwischen auch kurz \’Thermoharvesting\‘ genannt, nutzt eine gut verfügbare \’Primär-Energiequelle\‘: Abwärme aus warmen und heißen Prozessen, aus Roll- und Reibbewegungen, der Energieerzeugung und Verteilung, usw. Auf diesem Sektor hat das Unternehmen Micropelt seinen Fokus gesetzt. Die Verschmelzung zweier Basistechnologien, der thermoelektrischen Materialwissenschaft einerseits und der massenhaften Chipherstellung andererseits, bilden die Grundlagen der sogenannten Thermogeneratoren (TEG). Micro-Thermoharvesting Prinzipiell nutzt Micropelt die bekannte Peltier-Technik, allerdings in stark miniaturisierter Form. Wie herkömmliche Peltier-Elemente bestehen auch die Micropelt-Produkte aus einer Reihenschaltung von gegensätzlich dotierten Halbleiter-Segmenten. Jeweils ein p- und ein n-dotiertes \’Klötzchen\‘ bildet ein sogenanntes Thermopaar, das Wärme transportiert, wenn ein Strom angelegt wird, und Strom erzeugt, wenn es einem Wärmefluss ausgesetzt wird. Ein konventionelles thermoelektrisches (typischerweise Peltier-) Element entsteht durch die Reihenschaltung vieler solcher Thermopaare. Diese werden zumeist manuell zwischen zwei Keramikplatten gesetzt, die auch die erforderlichen Leiterstrukturen tragen; anschließend wird der Verbund verlötet. Micropelts mikrostrukturierte Thermogeneratoren beseitigen viele Nachteile der herkömmlichen Peltier-Technik, indem sie hunderte von Thermopaaren auf wenigen Quadratmillimeter Chipfläche integrieren. Ein Thermogenerator des Typs MPG-D751 mit nur 14mm² Fläche und 1mm Höhe liefert mit seinen 540 Thermopaaren bei 10°C anliegender \’Netto\‘-Temperaturdifferenz eine Leerlaufspannung von 1,4V und eine Ausgangsleistung von etwa zwei Milliwatt. Dabei liegt der Innenwiderstand bei ca. 340Ohm. Der genau halb so große MPG-D651 hat mit 75 mV/K noch eine etwas höhere spezifische Thermospannung bei etwa 190Ohm Innenwiderstand. Energiebilanz Ab welchem Punkt kann ein Thermogenerator eine vollwertige Alternative zu Batterien sein? Als Referenzgröße dient hier die Netto-Energieentnahme eines Systems über die spezifizierte Batterielebensdauer, z.B. auf ein Jahr normiert. Die Nettobetrachtung ist deswegen wichtig, weil insbesondere bei mehrjähriger Batterie-Lebensdauer die Selbstentladung einen zunehmenden Anteil am Energieverlust der Zelle hat. Sobald der Harvester im Verlauf eines Jahres zumindest die Netto-Energiemenge produziert, die dem Nettoverbrauch des zu versorgenden Systems entspricht, ist eine positive Energiebilanz gegeben. Wenn der Verbraucher im Falle eines deutlichen Energieüberschusses sogar zusätzliche Aufgaben übernehmen kann, z.B. Messung einer weiteren Größe, oder zur Regelung verwendbare Abtastraten, sind kurze Amortisationszeiten und darüber hinaus die zuvor beschriebenen Sekundäreffekte realisierbar. Maximale Leistung zu erzielen ist im Umkehrschluss oftmals gar nicht erforderlich, um eine gewünschte Funktionalität zu realisieren. Sobald die vom Harvester erzeugte Energie, über alle Schwankungen gemittelt, für den beabsichtigten Zweck ausreicht, ist der Harvester richtig dimensioniert. Mit diesem Konzept entwickelte Micropelt den TE-Power Node, einen batterielosen Funksensor mit integriertem Thermoharvester. Sämtliche Aspekte des Thermoharvesting sollten nachvollziehbar, Entwicklern alle beachtenswerten Aspekte an die Hand gegeben werden. So wurde der TE-Power Node einschließlich weiterer Varianten offen und modular konzipiert. Der Energiebedarf zur Funktionserfüllung sollte dabei möglichst einfach und selbst unter thermisch relativ ungünstigen Umständen leicht zu decken sein. Inzwischen ist die zyklische Optimierung dieses Systems soweit gediehen, dass es bei normaler Raumtemperatur mit menschlicher Körperwärme funktioniert. Die Architektur des ersten von Micropelt entwickelten ULP-Funkmoduls wurde so gewählt, dass der Energieverbrauch durch Hardwarefunktionen und Firmware-Gestaltung einerseits, andererseits durch ein vereinfachtes Protokoll für den vorgegebenen, einfachen Demo- und Evaluationszweck reduziert werden konnte. In Teil 2 des Fachartikels werden unter anderem konkrete Lösungs- und Anwendungsbeispiele vorgestellt.