Nutzzyklus eines Harvester-Funksensor-Verbundes mit Kondensator als Puffer: Nach einer einmaligen Anlaufphase arbeitet der Funksensor in einem Zyklus aus Übertragungs- und Schlafphasen.

© Micropelt

Produziert der Harvester beispielsweise im Verlauf eines Jahres mehr Energie, als die Anwendung im selben Zeitraum verbraucht, ist die Energiebilanz positiv. Typische Harvester-Leistungen liegen im Bereich einiger 100 μW bis zu einigen 10 mW.

Funksysteme hingegen benötigen während der Übertragung zwischen etwa 40 mW und einigen 100 mW - zwischen den Übertragungen aber nur einige Mikrowatt. Darum speichern Puffer - also Kondensatoren oder Akkus - die nicht verbrauchte Energie des Harvesters und stellen sie dem Sensor während der Messungen und Übertragungen zur Verfügung. Ist die Energiebilanz negativ, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, dies zu verbessern: Entweder der Harvester erzeugt mehr Energie oder der Funksensor verbraucht weniger. Letztere Möglichkeit erfordert ein Umdenken beim Anwender, der bisher an kontinuierliche Datenströme aus verkabelten Sensoren gewöhnt ist.

Der Gedanke „Wie oft benötige ich eigentlich den Messwert, um die Regel-, Überwachungs- oder Alarmfunktion sicher auszuführen?", ist noch relativ neu. Meist aus Unsicherheit fordern Anwender zu hohe Messfrequenzen und treiben damit den Energieverbrauch in die Höhe.

Ausgangsleistungen der Harvester-Modelle Node und Probe bei verschiedenen Prozesstemperaturen, 25 °C Umgebungstemperatur und natürlicher Konvektion. Im Vergleich arbeitet der Probe aufgrund seines optimierten Aufbaus deutlich effizienter.

© Micropelt

Die Verringerung der Messfrequenz unterstützen bereits heute viele Funksensoren, die auf Batteriebetrieb ausgelegt sind. Sie arbeiten in geregelten Nutzzyklen (Duty Cycle). Dazu fällt der Sensor zwischen den Arbeitszyklen in einen mehr oder weniger effizienten Schlafmodus.

Auch Netzwerktopologie, Protokollstruktur und -Netzfunktionalität haben maßgeblichen Einfluss auf den Energieverbrauch des Sensors. Hier gilt verallgemeinernd, dass ein flexibel für viele Zwecke verwendbares Protokoll, wie beispielsweise Zigbee, wegen des größeren Verwaltungs-Overheads deutlich mehr Leistung benötigt, als ein auf den Einsatzzweck exakt zugeschnittenes Protokoll. Hier ist genau abzuwägen zwischen einem offenem Standard und einer verbrauchsoptimierten proprietären Lösung. Die zweite Möglichkeit, die Energiebilanz zu verbessern, ist die Harvester-Leistung zu erhöhen.

Dafür heißt es zunächst den Aufbau zu optimieren: Wärme-Übergänge verbessern und den Kühlkörper vergrößern oder thermisch optimieren. Weitere Maßnahmen sind die Montage in Bodennähe, die Ausrichtung nach dem natürlichen Luftstrom oder die Verbesserung der Konvektion mit Hilfe eines erzwungenen Luftstroms, beispielsweise durch einen vorhandenen Lüfter.

In der Praxis

Die Testplattform TE-Power Node unterstützt mit integrierten Temperatursensoren und einer mitgelieferten PC-Software beim Erstellen einer Energiebilanz.

© Micropelt

Um möglichst einfach feststellen zu können, ob die Bedingungen am Einsatzort für thermisches Harvesting geeignet sind, kombinierte Micropelt ein Funksensormodul mit einem Thermoharvester.

Das Funkmodul des TE-Power- Node ist so ausgelegt, dass es ab einem Brutto-Temperatur-Unterschied von etwa 6 bis 8 °C sekündlich Messwerte sendet. In jedem Zyklus werden sowohl die Temperatur der Kaltseite als auch die der Heißseite sowie die Spannung des Speicherkondensators gemessen und gesendet.

Mittels eines USB-Empfängers gelangt die Information an eine Evaluationssoftware, die bis zu fünf Sensoren gleichzeitig verarbeitet. Mit Hilfe der Software kann der Anwender eine Energiebilanz erstellen und einen optimierten Nutzzyklus bestimmen, so dass ein Dauerbetrieb der Zielanwendung rein aus der vom Harvester gewonnenen Energie gewährleistet ist.

Der Nahfeld-Harvester-Probe

Der TE-Power-Probe versorgt einen wenige Meter entfernten Funksensor. In einem Feldtest bei Shell versorgte er einen WirelessHART-Drucktransmitter.

© Micropelt

In vielen Fällen sitzt der zu versorgende Sensor nicht auf einer Oberfläche, die deutlich wärmer oder kälter ist als die Umgebung.

In solchen Fällen kann ein Nahfeld-Harvester die Entfernung zur nächstliegenden Energiequelle mit ein paar Metern Kabel überbrücken. Mit Schraubanschluss direkt an eine Abwärme-Quelle gekoppelt, genügt ein Brutto-Temperaturgefälle von 20 °C zur Umgebungsluft, um eine Leistung von 1 mW zu erzeugen. 1 mW entspricht im Dauerbetrieb 8760 mWh pro Jahr.

Für eine 3-Volt-Anwendung ergibt das 2920 mAh oder etwa drei AA-Batterien. Liegen 90 °C an der Heißseite und 25 °C Umgebungstemperatur an, liefert der Probe eine Nettoleistung von etwa 10 mW. Das entspricht dann etwa 30 AA-Batterien. Neben dem direkten Schraubanschluss kann der Probe mit einem spezifisch gefertigten Adapter am warmen Anlagenteil angekoppelt werden. Dieser Anschluss schmälert zwar durch einen weniger optimalen Wärmefluss die Leistung, ist aber bei einer Nachrüstung oft die einfachere Lösung.

Autor: Burkhard Habbe ist Leiter Geschäftsentwicklung bei Micropelt in Freiburg.

Energy-Harvesting im Shell-Feldtest

Im Dezember 2009 hat Shell einen Feldtest abgeschlossen: Der Konzern testete, ob ein batterieloser Betrieb von seriennaher Funksensorik und WirelessHART-Maschenprotokoll möglich ist. Das Ziel der Anstrengungen erläutert Don Mulder, verantwortlich für neue Technologien im Shell-Konzern: „Um unsere Anlagen besser nutzen zu können, müssen wir über den Zustand von Prozessen und technischen Einrichtungen viel mehr wissen als bisher.

Funksensoren ermöglichen diese tiefere Einsicht zu attraktiven Gesamtkosten, wäre da nicht der ständige Wechsel tausender Batterien." Ein Ingenieurteam im Konzern kombinierte einen Nahfeld-Harvester-Micropelt-TE-Power- Probe mit einem Dünnschicht-Akku zu einer autarken Energiequelle, die einen leicht modifizierten Emerson-Drucktransmitter speiste. Don Mulder ergänzt: „Den explosionsgesicherten Aufbau montierten wir in einer unserer Produktionsanlagen in Den Helder.

Der Nahfeld-Harvester wurde an einer 75 °C heißen Wasserleitung, der Funksensor an einer 2 m entfernten Messstelle montiert. Das System funktionierte während unseres Feldtests mit einer minütlichen Messdaten-Übertragung. Wir sind sehr zufrieden, sowohl mit der einfachen Implementierung als auch mit der zuverlässigen Funktion der neuartigen Energieversorgung."

Energieautark von der Stange? - ABB-Forscher im Interwiev

Auch im ABB-Forschungszentrum in Ladenburg laufen Untersuchungen zum Energy-Harvesting. Die Forscher integrierten für einen Versuchsaufbau thermoelektrische Generatoren der Firma Micropelt in einen WirelessHART- Temperaturtransmitter. Computer&AUTOMATION sprach mit dem ABB-Projektleiter Energy- Harvesting Dr. Marco Ulrich über die Zukunft der Technologie.

Herr Dr. Ulrich, wann gibt es einen energieautarken Aufbau „von der Stange"?

Dr. Ulrich: Für eine großflächige industrielle Anwendung sind die Gesamtkosten noch zu hoch, auch was die Langzeitstabilität betrifft, sind noch nicht alle Fragen hinreichend geklärt. Außerdem erfordert ein Harvester aktuell noch eine individuelle Optimierung und Justierung zu dem Sensor und der Prozesssituation. Das ist noch keine pragmatische Lösung.

ABB-Projektleiter Energy- Harvesting Dr. Marco Ulrich: „Eine Lösung wäre ein Baukastensystem, das den Anschluss unterschiedlicher Energy-Harvesting-Quellen erlaubt – je nachdem, welche Prozessbedingung am Installationsort des Gerätes vorherrscht.“

© ABB

Warum haben Sie bei Ihrem Demonstrator den thermischen Harvester in den Sensoraufbau integriert?

Dr. Ulrich: Die integrierte Lösung hat gegenüber einem externen Harvester den Vorteil einer gewohnten Handhabung: Einfach über den Standard-Prozessanschluss anschließen und fertig. Wir denken, das steigert die Akzeptanz beim Anwender. Einmal angeschlossen, arbeitet der Sensor vollkommen autark - ein integrierter Energiepuffer überbrückt Situationen, in denen die Temperaturdifferenz nicht ausreicht.

Neben Thermo-Harvestern gibt es Vibrationsgeneratoren oder Solar-Zellen. Welche dieser Methoden hat in Zukunft die größte Verbreitung?

Dr. Ulrich: Das ist noch nicht absehbar. Es gibt zwar Anwendungen, welche klar mit bestimmten Harvesting-Technologien verknüpft sind. Zum Beispiel wird sich bei der Temperaturmessung das Thermo-Harvesting durchsetzen. In vielen Fällen jedoch sind die genauen Bedingungen am Einsatzort der Geräte unbekannt. Eine Lösung wäre ein Baukastensystem, das den Anschluss unterschiedlicher Energy-Harvesting-Quellen erlaubt - je nachdem, welche Prozessbedingung am Installationsort des Gerätes vorherrscht.

Welche Probleme liegen auf dem Weg zu einer solchen Baukasten- oder Plattformlösung?

Dr. Ulrich: Für eine flexible Plattform erlaubt sich nur eine sehr übersichtliche Anzahl unterschiedlicher Harvesting-Module, um auch wirtschaftlich attraktiv zu sein und damit in großer Anzahl in die praktische Anwendung zu kommen. Hier gibt es noch einigen Entwicklungsbedarf, da die tatsächlichen Gegebenheiten von Fall zu Fall stark variieren. Aktuelle Vibrations-Harvester beispielsweise arbeiten nur in einem schmalen Frequenzband optimal.