Die Menge an verfügbarer Energie ist der limitierende Faktor in jeder IoT Anwendung. Ist die Energiefrage im Smart Home, Smart Building und Smart City Umfeld noch relative einfach zu beantworten wird sie im Outdoorbereich zu einer wahren Herausforderung. Welche Möglichkeiten einer zuverlässigen, langlebige Energieversorgung stehen heute im Outdoor Sektor zur Verfügung?
In einem Gedankenspiel mit unbegrenzter Energie, was könnten wir bauen?
Sicher muss nicht weit Gedacht werden um zu realisieren das vieles aus dem Bereich SciFi heute realisierbar wäre, wenn nicht Energie der große begrenzende Faktor darstellen würde.
Und je autarker eine Lösung ist, desto herausfordernder wird die Frage. Ist daher von einer IoT Lösung die Rede, wird damit immer auch von einer Energielösung gesprochen – Ying und Yang grüsst.
Was bedeutet IoT genau?
Unter IoT (Internet der Dinge) werden gemeinhin alle Arten von Dinge verstanden welche, aufgerüstet mit Sensoren und Transmittern, dazu befähigt werden mit einander zusammen zu arbeiten, Informationen zu teilen und Synergieeffekte nutzbar zu machen. Vereinfacht gesagt beschreibt IoT daher ein Ökosystem verschiedenster, untereinander vernetzter Dinge.
Solche Upgrades setzen je nach elektrischen Bauteilen eine Energielösung voraus. Und je nach Anwendungsszenario kann eine solche Lösung dabei unterschiedlich ausfallen. Eine „smarte“ Leuchte zum Beispiel hat sicher andere Möglichkeiten an Energie zu gelangen als ein „smarter“ Wasserhahn.
Bevor jedoch mit dem Gedanken zur Energiegewinnung gespielt werden kann, muss zuerst die Frage des Energiebedarfs geklärt werden. Ohne dabei zu tief in die Elektrotechnik ein zu steigen:
Der Bedarf ermittelt sich aus dem passiven Energiekonsum aller Bauteile inklusive allen zu erwartenden Energiespitzen, z.B. zum Senden von Informationen, über den gesamten Lebenszyklus einer Lösung. Sind alle diese Daten bekannt, wird der Rest zu einem reinen Summenspiel.
Und wie funktioniert das mit der Energie?
Die Auswahl der passenden Energiegewinnung stellt sich oft als sehr kontextabhängig heraus. Selbst im gleichen räumlichen Umfeld kann es vorkommen, dass zwei IoT Lösungen aufgrund der unterschiedlichen Art ihres Einsatzes nicht auf dieselbe Energiequelle zu greifen können. Einsatzort, -dauer und -art bestimmen daher maßgeblich welche Möglichkeiten der Energiegewinnung einer Lösung bereitsteht.
Im Gegensatz zum bebauten Raum muss im Outdoor Sektor oft auf autarke Lösungen zurück gegriffen werden. Die nachfolgende Liste eine Auswahl der gängigsten sowie interessantesten Optionen:
Batterien
In verschiedensten Formen und Größen vorkommend gehören Batterien, neben Superkondensator, ganz klar zu den Klassikern in der Energieversorgung. Sie sind günstig, leicht verfügbar und können je nach Anforderung Energie über verschiedene Zeiträume speichern. Ihre Lebensdauer ist jedoch beschränkt was eine beständige Wartung notwendig macht. Zudem kann sich die Wiederverwendungs- bzw. Entsorgungsfrage je nach Batterieart zu einem Problem entwickeln.
Photovoltaik
Sonnenenergie kann heutzutage sehr einfach über den Einsatz von z.B. Solarzellen für die Energiegewinnung nutzbar gemacht werden. Der Grad an Sonneneinstrahlung bestimmt dabei die zur Verfügung stehenden Energie. Da die Sonneneinstrahlung Schwankungen unterliegt gehört immer auch ein Konzept zur Energiespeicherung mit zur Fragestellung. Nur so lässt sich ein Betrieb z.B. über die Nachtzeiten realisieren.
Diese Lösung ist sicher in der Umsetzung anspruchsvoller und unterliegt Einschränkungen was den Einsatzrahmen betrifft.
Radioaktive Umgebungsstrahlung
In unserer Umwelt existiert einer natürliche, radioaktiven Grundstrahlung welche im Regelfall niedrig und für Lebewesen ungefährlich ist. Diese Grundstrahlung kann unter Umständen für den Betrieb von Bauteilen und Sensoren nutzbar gemacht werden. Die Energieausbeute ist dabei heute jedoch noch nicht sehr hoch und der Einsatz daher sehr Anwendungsabhängig. Diese Lösung ist daher eher experimenteller Natur.
Thermoelektrizität
Sind Temperaturunterschiede vorhanden ist es möglich, diese für die Energiegewinnung zu nutzen. Denn Temperatur beeinflusst Elektrizität und befinden sich hierbei in einer Wechselwirkung. Das kann nutzbar gemacht werden unter Einsatz von Halbleitermaterialien. Die Umwandlung besitzt einen sehr niedrigen Wirkungsgrad kann aber ausreichend sein für den Betrieb von Bauteilen und Sensoren. Dabei gilt, die Höhe der Energieausbeute hängt mit der Höhe des Temperaturunterschiedes zusammen.
Piezo Energie
Hierbei wird mechanischer Druck in Elektrizität umgewandelt. Das bietet in verschiedensten Anwendungsgebieten die Möglichkeit um mechanischen Druck/Stress nutzbar zu machen. Ein Beispiel wäre ein „intelligenter“ Lichtschalter der zum Zeitpunkt des Drückens über ein Piezo Modul Energie erfährt und damit ein Signal senden kann.
Magnetinduktion
Schwingungen im Magnetfeld können ebenfalls für die Energieversorgung von elektronischen Bauteilen nutzbar gemacht werden. Aktuelle Generatoren sind in der Ausführung jedoch noch sehr groß was den Einsatzspielraum beschränkt. Mit zukünftiger Miniaturisierung verspricht diese Lösung aber einiges an Potenzial.
Baumbatterien
Diese Art der Energiegewinnung stammt aus Amerika. Das Konzept sieht vor, dass Bäume als Energielieferanten für den Betrieb von Sensoren und Netzwerken herangezogen werden. Da bedeutet, der Baum übernimmt die Aufgabe einer Batterie und stellt den Betrieb der IoT Anwendung sicher. Damit werden langlebige Lösungen im Bereich Brandschutz sowie Wetteranalysen ermöglicht.
Und was eignet sich am besten?
Das lässt sich pauschal nicht beantworten. Im Outdoorbereich ist es deshalb umso wichtiger den Kontext zu kennen und das Einsatzgebiet einer IoT Lösung genau zu definieren.
Wer hierzu noch mehr Beispiele sehen, mit Zahlen rechnen und noch tiefer einsteigen möchte findet alles in den Quellen oder hier. Auf eine Wiederholung der Elektrotechnik habe ich in diesem Blog bewusst verzichtet.
Ich hoffe, dass die Liste manchen Leser genau so helfen wird so wie sie mir geholfen hat um eine Übersicht zu diesem Thema zu bekommen.
Wie immer freue ich mich über Feedback und Ergänzungen in den Kommentaren. Besten Dank.
Quellen
- Energy sources and power management in IoT sensors and edge devices – 31.05.2018, Richard Gall:
https://jaxenter.com/energy-sources-power-management-iot-sensors-edge-devices-145006.html - The Best IoT Power Source May be a Surprise – 06.10.2016, Frank Jeffrey:
https://www.electronicdesign.com/technologies/power-sources/article/21801891/the-best-iot-power-source-may-be-a-surprise - What’s holding back the Internet of Things? Power – 10.05.2018, Larry Arnstein:
https://www.geekwire.com/2018/whats-holding-back-internet-things-power/ - Energy harvesting – 22.04.2020, Author unbekannt:
https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_harvesting - Solid-state battery – 09.06.2020, Author unbekannt:
https://en.wikipedia.org/wiki/Solid-state_battery - Sonnenenergie – 13.05.2020, Author unbekannt:
https://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenenergie - Superkondensator – 04.04.2020, Author unbekannt:
https://de.wikipedia.org/wiki/Superkondensator - Thermoelektrizität – 29.02.2020, Author unbekannt:
https://de.wikipedia.org/wiki/Thermoelektrizität
