Energy Harvesting : Laster lassen Lampen leuchten

Forscher wollen aus Vibrationen, Druck- und Temperaturunterschieden Energie gewinnen. Etwa zur Straßenbeleuchtung - aber auch für kabellose Sensoren in Maschinen und Gebäuden.

Birk Grüling
Helle Idee. Eine futuristische Version von Energy Harvesting: Druckänderungen, die Fahrzeuge im Asphalt erzeugen, sollen genutzt werden, um Strom für Straßenlampen zu erzeugen. Bisher ist diese Anwendung aber noch zu teuer.
Helle Idee. Eine futuristische Version von Energy Harvesting: Druckänderungen, die Fahrzeuge im Asphalt erzeugen, sollen genutzt...Foto: AFP

Energie liegt ungenutzt auf der Straße und Mike Gatto will sie ernten. Wenn es nach dem demokratischen Abgeordneten aus dem US-Bundesstaat Kalifornien geht, könnte der rege Verkehr auf amerikanischen Autobahnen langfristig für die Stromversorgung der Straßenbeleuchtung genutzt werden. Auch wenn das erst mal nach einer fernen Zukunftsvision klingt, ist das technische Prinzip der Idee recht simpel: Autos erzeugen Vibrationen und verformen damit elastische Piezokristalle unter dem Asphalt. So entstehen ständig elektrische Ladungspakete und daraus ein Stromfluss. Diese Piezoelektrizität nutzt man schon seit vielen Jahren beispielsweise in elektrischen Feuerzeugen.

Allerdings wären die Leistungserträge eines einzelnen Autos sehr klein, bei wenigen Mikro- bis Milliwatt. Um die Straße allein durch die Bewegung der Fahrzeuge zu beleuchten, müssen die einzelnen Energiebeträge eingesammelt, geerntet werden. Als „Energy Harvesting“ werden daher solche Techniken bezeichnet. In einer Londoner U-Bahnstation und auf Bürgersteigen in Tokio gibt es bereits Versuche. Über deren Effektivität schweigen die Initiatoren aber meist. Peter Woias vom Lehrstuhl für Konstruktion von Mikrosystemen der Universität Freiburg schätzt ihr bisheriges Potenzial als eher gering ein. „Der Aufwand ist immens. Unter jeder Gehwegplatte muss man einen Generator einbauen und mit der Straßenbeleuchtung verkabeln. Das widerspricht dem eigentlichen Prinzip des Energy Harvesting: Wir wollen den Verkabelungsaufwand reduzieren.“ Aus seiner Sicht dient dieser Ansatz nur am Rande der Energieerzeugung.

Die eigentlichen Stärken liegen woanders, wie ein Blick auf bestehende Energy-Harvesting-Produkte zeigt. Seit mehr als zehn Jahren verkauft die Münchner Firma EnOcean kabel- und batterielose Lichterschalter. Mit Energie werden sie allein durch das Drücken der Schalterwippe versorgt. Über elektromagnetische Generatoren unter der Wippe werden rund 50 Mikrojoule erzeugt, gerade genug zur Übertragung des Funksignals. „Ein gutes Argument für Energy Harvesting ist die Flexibilität“, sagt Woias. „Schalter und Sensoren brauchen keine Kabel und Batterien mehr und es fallen kaum Wartungskosten an.“ In der Gebäudesteuerung haben sich drahtlose und selbstversorgende Sensoren schon etabliert. Sie messen beispielsweise die Raumtemperatur oder Luftfeuchtigkeit und geben diese Informationen per Funk weiter. Großes Potenzial sehen Experten auch in der Industrie, zum Beispiel bei Messfühlern in großen Maschinen.

„Entsprechende Energiequellen sind genug vorhanden“, sagt Peter Spies vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen in Nürnberg. „Temperaturunterschiede, Vibrationen oder Strömungen, all das kann man zur Gewinnung kleiner Energiemengen nutzen.“ Eine wichtige Voraussetzung ist allerdings ein geringer Verbrauch. Das heißt, die Sensoren müssen nicht nur klein sein, sondern auch ihre Aktivität möglichst gering. „Energy Harvesting eignet sich besonders für Überwachungen, bei denen nicht sekündlich gemessen wird, sondern eher alle zehn Minuten oder gar stündlich“, erläutert der Fraunhofer-Forscher.

Auf der Stromrechnung macht sich die Energiegewinnung aus der Umgebung kaum bemerkbar. Der ökonomische Vorteil liegt eher darin, dass langfristig Wartungskosten gespart werden. Beispielsweise ist das Wechseln von Messfühlern in Industriemaschinen derzeit noch sehr aufwendig und bedeutet häufig einen Produktionsstopp. Bei der Modernisierung von Gebäuden ist das Verlegen von Kabeln teuer und arbeitsintensiv. Die selbstversorgenden Sensoren verringern den Aufwand.

In anderen Einsatzfeldern sind solche Techniken bislang aber kaum etabliert. Zum Beispiel in der Automobilbranche. Drei bis vier Kilometer Kabel sind in einem Mittelklassefahrzeug verbaut. Aus Sicht von Woias ließe sich so mancher Draht einsparen: „Die Messung von Reifendruck oder Öltemperatur würde problemlos über drahtlose Sensoren funktionieren“, sagt er. „Energiequellen wie die Motorwärme oder Vibrationen beim Fahren gibt es im Auto genug.“ Viele Autohersteller und Zulieferer hätten bereits erfolgreich interne Studien gemacht, sagt der Experte. „Aber noch sind herkömmliche Batterien, mit denen die Sensoren versorgt werden, billiger.“

Für eine wirtschaftliche Konkurrenz durch EnergyHarvesting-Systeme müssten deren Herstellungskosten auf unter einen Dollar fallen. Bisher rechnen sie sich nur langfristig, etwa durch den Wegfall von Reparaturen oder Batteriewechseln. Aus Sicht des Freiburger Forschers sind die Verbraucher die „Leidtragenden“ dieses Preisdenkens. „Reifendrucksensoren sind häufig auf der Felge montiert. Bei einem Ausfall muss das Auto in die Werkstatt und der Reifen von der Felge genommen werden. Das kostet schnell 80 Euro. Mit einem energieautarken Sensor wäre dieser teure Batteriewechsel nicht nötig.“

Aber nicht nur die hohen Kosten stehen dem massenhaften Einsatz von Energy Harvesting entgegen. Die Geräte müssen auch extrem zuverlässig sein. „Die Systeme können immer noch ausfallen“, sagt der Nürnberger Forscher Spies. Auch die Auswertung vieler Funksignale auf engstem Raum, zum Beispiel auf einer Straße mit regem Verkehr, ist noch ein Problem. Nur wenn jedes Signal richtig zugeordnet werden kann, funktioniert das System.

An mangelnder Zuverlässigkeit scheitert auch noch eine andere Vision: der Herzschrittmacher, der über Körpertemperatur, Vibrationen des Herzschlages oder Blutzucker mit Energie versorgt wird. Damit ließen sich die heutigen Herzschrittmacher deutlich verkleinern. Die neuen Modelle wären nur noch rund einen Kubikzentimeter groß, besagt eine Schätzung von Forschern der Universität von Michigan. Entscheidend ist aber, dass sie tadellos arbeiten. Bis zu klinischen Studien mit den kleinen autonomen Taktgebern werden sicher noch mehrere Jahre vergehen.

Schneller dürften sich Konsumgüter mit Energy-Harvesting-Technologien etablieren. Schrittzähler in Laufschuhen oder der Pulsmesser beim Sport, all das könnte schon in naher Zukunft durch Umgebungsenergie versorgt werden. Das ist nett, aber kein Allheilmittel, wie auch Spies feststellt. „Der Hype um das Energy Harvesting ist teilweise einer Ernüchterung gewichen“, sagt er. „Das Prinzip hat seine Berechtigung und Anwendungsmöglichkeiten, aber ist es sicher keine Universallösung für die Energieversorgung von morgen.“

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