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Energy Harvesting und sein Energiepotenzial

Geräte des Internets der Dinge benötigen nur wenig Energie. Diese lässt sich effizient aus der direkten Umgebung gewinnen. Mit der immensen Zahl an IoT-Geräten summiert sich das Energiepotenzial dieser Energy Harvesting-Technologien schnell auf mehrere hundert Terawattstunden.

Rund 30 bis 70 Milliarden Geräte bildeten in 2020 das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT). Auch wenn die Schätzungen weit auseinandergehen, sicher ist: ihre Zahl wird weiter wachsen. Klar ist auch, dass diese Geräte Energie verbrauchen. Bereits im Jahr 2014 warnte die Internationale Energieagentur (IEA), dass der Stromverbrauch der weltweit vernetzten Geräte bei rund 616 Terawattstunden liegt. Diese Schätzung erfolgte damals auf Basis von 14 Milliarden vernetzten Geräten. Das ist ungefähr so viel, wie in deutschen Haushalten jährlich an Endenergie verbraucht wird.

Nachhaltige Lösungen für die Stromversorgung der IoT-Geräte zu finden, ist also ein nicht zu unterschätzender Beitrag auch für den Klimaschutz. Eine Option ist dabei das sogenannte „Energy Harvesting“. Unter diesem Schlagwort sind Technologien vereint, die die Umgebungsenergie nutzen. Sie erzeugen zum Beispiel aus Bewegungen und Vibrationen, Luftströmungen oder Temperaturunterschieden Strom. Die Leistungsabgabe liegt dabei typischerweise zwischen 0,0001 bis 500 Milliwatt. „Energy Harvesting-Lösungen bilden die Basis zur Versorgung einer Vielzahl von batterielosen IoT-Applikationen, die uns im Rahmen der digitalen Transformation in Zukunft unser Leben erleichtern werden“, ist sich Dieter Bauernfeind von Elec-Con technology sicher. Zusammen mit der Technischen Hochschule Deggendorf und der Firma Lintech entwickelt sein Unternehmen zum Beispiel einen Energie-Generator mit Positionsfunk, der Strom aus mechanischer Bewegung gewinnt. Das System soll in der Logistik eingesetzt werden.

Energy Harvesting: Aus Bewegung wird Energie

Dabei kommen piezoelektrische Materialien zum Einsatz. Sie erzeugen Elektrizität als Reaktion auf mechanische Stimulation wie Vibration oder Bewegung. Piezoelektrische Energy Harvester lassen sich heute unter anderem mit Hilfe der MEMS-Technologie realisieren, also als winzige Bauelemente, die Logikelemente und mikromechanische Strukturen in einem Chip vereinen.

Eine andere Technologie, um aus Bewegung Energie zu gewinnen, nutzt eine Gruppe von Forschern an der Chinese University of Hong Kong: Sie verwenden ein spezielles intelligentes Makrofasermaterial, das bei jeder Art von Verbiegung Energie erzeugt. Die Forscher bauten daraus einen Energy Harvester, der am Knie eines Menschen befestigt wird und beim Laufen des Trägers 1,6 Mikrowatt Energie erzeugt. Das reicht aus, um zum Beispiel einen Gesundheitstracker zu -betreiben.

Strom aus LED-Licht

Eine wichtige Energiequelle ist auch die Photovoltaik. Allerdings werden viele IoT-Geräte innerhalb von Gebäuden eingesetzt, wo kein helles Sonnenlicht zur Verfügung steht. Die Lichteinstrahlung beträgt dort üblicherweise nur 30 bis 50 Lux – direktes Sonnenlicht erreicht dagegen bis zu 130.000 Lux. Ein Forscherteam der Universität Uppsala hat daher spezielle Indoor-Photovoltaikzellen entwickelt. Sie basieren auf Kupferkomplex-Elektrolyten, die Licht aus Leuchtstofflampen und LEDs mit einem Wirkungsgrad von 34 Prozent in Strom wandeln können. „Die Kenntnis der Spektren dieser Lichtquellen macht es möglich, spezielle Farbstoffe so abzustimmen, dass sie Licht in Innenräumen absorbieren“, erklärt Marina Freitag, Assistenz-Professorin an der Fakultät für Chemie der Universität Uppsala.

Funkwellen und Wärme als Energiequellen

Auch Radiowellen stellen eine Umgebungsenergie dar. Ein Pionier bei der Nutzung dieser Energiequelle ist Drayson Technologies. Das Unternehmen hat mittlerweile die dritte Generation seiner Freevolt-Technologie auf den Markt -gebracht, die Strom aus NFC-, Mobilfunk- oder Wi-Fi-Netzen gewinnen kann. Dabei erreicht die Lösung eine „RF-to-DC“-Effizienz von bis zu 80 Prozent – und liefert so ausreichend Energie, um zum Beispiel moderne Smartcards zu versorgen.

Viel Energie steckt auch in der Wärme, die zum Beispiel von Motoren, Maschinen oder dem menschlichen Körper abgegeben wird. Abhängig von den physikalischen Eigenschaften des thermoelektrischen Materials und der Menge der verfügbaren Wärmeenergie können thermoelektrische Generatoren zwischen 20 Mikrowatt und zehn Mikrowatt pro Quadratzentimeter erzeugen.

Da sich das Profil von Energy Harvesting-Generatoren stark von dem einer Batterie unterscheidet, werden spezielle Power-Management-Interfaces benötigt. Sie steuern zum Beispiel Rechenprozesse im Chip in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Energie. Zudem wandeln sie Strom und Spannung auf ein Niveau um, mit dem das IoT-Gerät betrieben werden kann. Chip-Hersteller bieten dazu inzwischen spezielle ICs. Sie können oftmals die Energie aus verschiedenen Quellen managen und vereinfachen die Integration von Energy Harvesting in ein IoT-Gerät erheblich.

Mehrfacher Umweltnutzen mit Energy Harvesting

Auch wenn das Potenzial an durch Energy Harvesting erzeugter Energie nicht unbedeutend ist, fallen zwei Argumente noch viel stärker ins Gewicht. Energy Harvesting-Lösungen reduzieren die Wartungskosten für IoT-Geräte erheblich, da Batterien deutlich seltener ausgetauscht werden müssen. Im Idealfall kann man sogar komplett auf eine Batterie verzichten und damit die Umwelt von giftigen Materialien entlasten. Viele Argumente sprechen also für Energy Harvesting-Lösungen. Entsprechend optimistisch sind die Marktaussichten für diese Technologie: Laut Market Study Report wird der weltweite Energy Harvesting-Markt von 2020 bis 2028 durchschnittlich um 10,15 Prozent pro Jahr wachsen und ein Umsatzvolumen von rund 9,45 Milliarden US-Dollar erreichen.

Günstiger Strom aus Photovoltaik

Photovoltaik ist neben Windkraft die zentrale Säule der Energiewende, günstiger als mit Sonne lässt sich heute kein Strom erzeugen. Das ist vor allem der rasanten technologischen Entwicklung in den vergangenen Jahrzehnten zu verdanken. Durch die die Kosten um mehr als 90 Prozent gefallen sind und der Wirkungsgrad der Solarmodule erheblich gestiegen ist.

Dank der schnellen Entwicklung im Bereich der Photovoltaik können heute Kraftwerke gebaut werden. Die – an sonnigen Standorten – Solarstrom für weniger als zwei Cent pro Kilowattstunde liefern. Die Aussichten, dass die Kosten weiter sinken, sind gut. Denn das Potenzial der Technologie ist noch längst nicht ausgeschöpft. Vor allem am Design der Solarzellen und bei den verwendeten Halbleitermaterialien wird dazu in Laboren weltweit geforscht. Eines der führenden Institutionen ist dabei das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Es hält zahlreiche Wirkungsgrad-Weltrekorde für unterschiedliche Photovoltaik-Technologien. Zum Beispiel für beidseitig kontaktierte Silizium-Solarzellen (26 Prozent) oder für Tandemzellen auf Silizium (35,9 Prozent).

Auf der Jagd nach höheren Wirkungsgraden

Solarzellen aus kristallinem Silizium dominieren mit einem Anteil von über 90 Prozent den Photovoltaik-Weltmarkt. Die bisherigen Rekordwirkungsgrade um 26 Prozent wurden mit Solarzellen im IBC-Design (interdigitated back contact) erreicht. Also Solarzellen mit beiden Metallkontakten auf der Rückseite. Als Industriestandard haben sich jedoch beidseitig kontaktierte Solarzellen herauskristallisiert. Die aufgrund ihrer geringeren Komplexität die bevorzugte Wahl in der industriellen Produktion sind. Professor Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik-Forschung am Fraunhofer ISE, und sein Team von Solarzellenforschern erreichten mit einem neuen Ansatz nun auch für die beidseitige Kontaktierung ähnlich hohe Wirkungsgrade wie bei IBC-Zellen. „Beidseitig kontaktierte Solarzellen haben das Potenzial für Wirkungsgrade bis zu 27 Prozent und sind damit auch geeignet, den bisherigen Weltrekord für Silizium-Solarzellen zu übertreffen“, erklärt Professor Glunz.

Energie aus mehreren Schichten

Deutlich verstärken lässt sich der Wirkungsgrad, wenn verschiedene Halbleitermaterialien übereinandergeschichtet werden. Bei diesen sogenannten Tandemsolarzellen wird durch die unterschiedliche Absorption der einzelnen Materialien das Sonnenspektrum noch effizienter für die Energiegewinnung genutzt. „III-V-Halbleitermaterialien auf Silizium ist einer unserer Ansätze, um über Tandem-Strukturen – also die Verbindung unterschiedlicher leistungsstarker Materialien – zu noch höheren Solarzellen-Wirkungsgraden zu kommen“, sagt Professor Andreas Bett, Leiter des ISE. „Es wird zwar noch ein paar Jahre dauern, bis Module aus dieser Solarzelle auf dem Markt verfügbar sind, aber mit Blick auf den notwendigen Ausbau der Photovoltaik für eine nachhaltige Energieversorgung ist dies ein wichtiger zukunftsweisender Pfad.“

Mehr Effizienz durch einfachere Produktion in der Photovoltaik

Ein anderes Material, auf das die Photovoltaik-Branche viel Hoffnung setzt, sind Perowskite. Dieses Halbleitermaterial erreicht inzwischen – im Labor – mit bis zu 25,2 Prozent ähnliche Wirkungsgrade wie Silizium-Solarzellen. Was Perowskite aber besonders interessant macht, ist ihre Herstellung. Im Gegensatz zu siliziumbasierten Elementen, die schwer sind und hohe Temperaturen in der Herstellung benötigen, sind Perowskit-Bauteile leicht und lassen sich mit einem viel geringeren Energieeinsatz fertigen. Zudem basieren sie auf kostengünstigen und reichlich vorhandenen Rohstoffen.

Darüber hinaus können Perowskit-Solarmodule sowohl starr oder flexibel als auch undurchsichtig oder halbtransparent sein. Dies ermöglicht ein breites Spektrum an Anwendungen. Denkbar sind Perowskit-Module, die zum Beispiel in Fenstern, Dachziegeln, Fassaden, Straßen oder Autodächern integriert sind. Zusätzlich können halbtransparente Perowskit-Zellen auch mit herkömmlichen Solarzellen zu einem Tandem-Solarmodul kombiniert werden. Und so den Gesamtwirkungsgrad auf neue Rekordwerte steigern. Solliance Solar Research erreichte damit bereits Wirkungsgrade von 28,7 Prozent. Solliance Solar Research ist eine Partnerschaft von Forschungsinstituten und Universitäten aus den Niederlanden, Belgien und Deutschland.

Systemkosten reduzieren

Doch nicht nur das Halbleitermaterial der Solarzelle spielt eine wichtige Rolle bei der Effizienz von Photovoltaikanlagen, auch die Leistungselektronik kann entscheidend dazu beitragen, dass der Gesamtwirkungsgrad steigt. Insbesondere Wide-Bandgap-Leitungselektronik wird dabei eine wichtige Rolle spielen. Denn im Vergleich zu herkömmlichen siliziumbasierten Halbleiterbauelementen führen Galliumnitrid (GaN-) und Siliziumcarbid (SiC-)Halbleitermaterialien zu kleineren, schnelleren und zuverlässigeren Energiesystemen, die zudem effektiver arbeiten. Tatsächlich können diese Halbleiter etwa 90 Prozent der Energieverluste bei der Leistungsumwandlung vermeiden.

So weisen Photovoltaik-Wechselrichter mit SiC-Leistungselektronik wesentlich geringere Schaltverluste auf und erhöhen den Systemwirkungsgrad. „Siliziumcarbid ermöglicht es uns, die Wechselrichter kompakt, leistungsstark und zuverlässig zu bauen“, so Sven Bremicker, Head of Technology Development Center bei SMA, einem führenden Spezialisten für Photovoltaik-Systemtechnik. „Aufgrund des kompakten Designs sind die Wechselrichter deutlich einfacher zu transportieren und wesentlich schneller zu installieren.“

Europäische Photovoltaik-Industrie im Aufwind

Während bei der Forschung und Entwicklung für Solarzellen und -module Deutschland und Europa nach wie vor führend sind, hatte sich die Produktion in den letzten zehn Jahren nach Asien verlagert. Dies beginnt sich zu verändern, da Parameter wie zum Beispiel der Anteil der Transportkosten für importierte Module, aber auch nachhaltige Produktionskriterien, heute anders ins Gewicht fallen als noch vor wenigen Jahren. Angesichts der heutigen Fertigungskosten von weniger als 20 Eurocent pro Watt Peak steigt der Anteil der Transportkosten für Module, ebenso wie für Teilkomponenten, und beträgt inzwischen nahezu zehn Prozent. Damit ist eine regionale Produktion nahe am Zielmarkt in Europa wieder wirtschaftlich möglich.

Blockchain im Energiemarkt

Ob Stromhandel oder Anlagensteuerung: Blockchain könnte bei der Digitalisierung des Energiesystems eine zentrale Rolle spielen. Denn die Transaktionstechnologie vereinfacht den Austausch, die Validierung und Dokumentation von Daten.

Ein Kernaspekt der nachhaltigen Energieversorgung ist die Dezentralisierung: Immer mehr Produzenten erzeugen Energie, die sie an Konsumenten verkaufen möchten. Gleichzeitig wächst der Bedarf der Konsumenten nach kurzzeitigen Strommengen an verschiedenen Orten, etwa durch die zunehmende Bedeutung der Elektromobilität. Immer öfter verschmelzen dabei Anbieter und Nachfrager zu sogenannten Prosumern, die Energie erzeugen und nachfragen. Die Menge an Transaktionen auch kleinerer Strommengen – etwa für die Aufladung eines Elektroautos – wird daher in Zukunft deutlich steigen.

Eine Lösung, um den Tausch und Handel von Strom zwischen Produzenten, Konsumenten und Prosumern wirtschaftlich und sicher zu realisieren, ist die Blockchain-Technologie. Damit lässt sich zum Beispiel eine intelligente, sichere Stromversorgung aus unterschiedlichen dezentralen, regenerativen Energiequellen aufbauen. Dadurch können Verbraucher und Erzeuger miteinander kommunizieren. „Für die Energiewende ist Blockchain deswegen interessant, weil sie es ermöglicht, Strom direkt zwischen erzeugenden und verbrauchenden Anlagen zu handeln“, erklärt Norman Pieniak. Er ist Leiter des Forschungsprojektes „BEST – Blockchainbasiertes dezentrales Energiemarktdesign und Managementstrukturen“ vom Reiner Lemoine Institut in Berlin.

Was ist Blockchain-Technik?

Die Blockchain wird meist mit Bitcoins und Kryptosystemen in Verbindung gebracht. Doch die Technologie kann grundsätzlich für Transaktionen jeder Art genutzt werden. Auch für den Handel mit Strom. Sie ist im einfachsten Sinne eine mit einem Zeitstempel versehene Reihe unveränderlicher Datensätze. Diese werden nicht auf einem zentralen Server, sondern von einem Verbund von Computern verwaltet. Diese gehören keinem einzelnen Unternehmen, keiner Organisation oder Person. Jeder Datensatz, auch Datenblock genannt, wird unter Verwendung kryptografischer Prinzipien gesichert. Dann werden die gesicherten Datenblöcke miteinander verbunden und es entsteht eine Datensatzkette, also eine „Blockchain“.

Die Blockchain erfordert entsprechend viele Rechenoperationen; Anwendungen wie Bitcoin und Co. verbrauchen daher sehr viel Strom. Doch es sind heute bereits alternative Blockchain-Lösungen verfügbar. Deren innovative Algorithmen erfordern nur eine minimale Rechenleistung und verbrauchen somit deutlich weniger Energie.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Die Blockchain-Technologie schafft eine „Plattform des Vertrauens“ zwischen allen Beteiligten. Sie dokumentiert und weist Besitz oder Transport, bestimmte Messwerte, Produkteigenschaften oder Vertragsinformationen unumkehrbar nach. So lassen sich Prozesse zwischen allen Beteiligten einer Wertschöpfungskette weiter automatisieren. Die möglichen Anwendungen sind vielschichtig. Zulieferer in einer Supply Chain können Daten der Qualitätssicherung mit ihren Kunden teilen. Pharmaunternehmen realisieren mithilfe einer Blockchain eine sichere Chargenverfolgung.

Gerade auch in der Energiewirtschaft verspricht die Blockchain-Technologie in vielen Bereichen einen Mehrwert für Unternehmen und Verbraucher. Das ist zumindest das Ergebnis der Studie „Blockchain in der integrierten Energiewende“ der Deutschen Energieagentur (dena). So kann die Technologie über Automatisierungseffekte und Prozessoptimierungen zur Senkung von Betriebskosten beitragen. Auf Basis eines gesteuerten Informationsmanagements generiert sie einen Zusatznutzen. Anwendungsbereiche, in denen ein besonders hoher ökonomischer Nutzen des Blockchain-Einsatzes erwartet wird, sind unter anderem die Zertifizierung von Herkunftsnachweisen und die Anmeldung von Anlagen im Marktstammregister. Aber auch Energiedienstleistungen für Gebäude und Industrieprozesse.

Blockchain als Basis

So ließe sich zum Beispiel mit der Blockchain ein digitales und dezentrales Verzeichnis für Geräteidentitäten erstellen. Es ermöglicht auf Grundlage der Blockchain-Technologie die Anbindung und Steuerung von Millionen dezentraler Erzeugungsanlagen mithilfe eines Smart-Meter-Gateways und ist Basis für zahlreiche weitere digitale Dienste. „Die Blockchain kann es technisch möglich machen, dass sich Marktteilnehmer mit ihren jeweiligen Anlagen in unterschiedlichen Zeiträumen in unterschiedlichen Märkten anmelden und darin agieren können“, erklärt Christian Sander, Lead Blockchain & Distributed Ledger Technologies bei dem Energieunternehmen EnBW.

Vor allem ermöglicht die Technologie den direkten Handel zwischen erzeugenden und verbrauchenden Anlagen, bei dem Besitzer kleinerer Anlagen überschüssige Energie direkt an andere Verbraucher verkaufen können. „Von diesem Peer-to-Peer-Handel profitiert das gesamte Energiesystem, weil es erheblich flexibler auf Schwankungen reagieren kann“, betont Norman Pieniak. „So unterstützt Blockchain den dezentralen Ansatz der Energiewende und kann dabei helfen, den Bedarf an kompensierenden Maßnahmen wie Speicher oder Netzausbau zu verringern.“ Sogenannte „Smart Contracts“ ermöglichen den Peer-to-Peer-Energiehandel. Sie lösen automatisch Transaktionen bei bestimmten Bedingungen aus.

Diese intelligenten Verträge können so eingestellt werden, dass Prosumer überschüssige Energie über einen Blockchain-fähigen Zähler in das Netz einspeisen. Der Stromfluss wird automatisch in der Blockchain kodiert, und Algorithmen bringen Käufer und Verkäufer in Echtzeit zusammen. Intelligente Verträge werden dann ausgeführt, wenn der Strom geliefert wird, und lösen die Zahlung zwischen Käufer und Verkäufer automatisch aus. Dadurch, dass die Finanztransaktionen und die Erfüllung der vertraglichen Verpflichtungen nicht mehr zentral gesteuert werden, entsteht ein völlig neues Maß an Dezentralisierung und Transparenz, das die Branche bisher nicht kannte. ABB hat bereits in einem Pilotprojekt gezeigt, wie Blockchain-fähige Wechselrichter mit integrierten digitalen Funktionen es Versorgungsunternehmen, Aggregatoren und Energieverbünden ermöglichen können, die Investitions- und Betriebskosten zu senken. Dabei werden die Smart Contracts direkt in den Wechselrichter generiert.

Erste Tests in der Praxis geplant

Einige Experimente zum Einsatz der Blockchain in der Energiewirtschaft haben bereits stattgefunden: Blockchain wurde 2016 zum ersten Mal für den Handel mit Strom eingesetzt, als der Besitzer eines Solarpanels in einem Mikronetz in Brooklyn seine Energie an einen Nachbarn verkaufte. Später im selben Jahr fand in Amsterdam der erste europäische Handel statt. In Großbritannien tauschten die Bewohner einer Siedlung in Hackney eine Kilowattstunde Solarstrom zwischen den Gebäuden.

Einen größeren Test peilt das Forschungsprojekt „BEST – Blockchainbasiertes dezentrales Energiemarktdesign und Managementstrukturen“ an: Dabei soll drei Jahre lang erforscht werden, wie sich die Blockchain-Technologie bestmöglich zum Stromhandel im Rahmen der Energiewende nutzen lässt. Dazu wird ein Strommarktbietersystem (SMBS) auf Basis einer Blockchain aufgebaut, das den lokalen Handel ermöglichen soll und Überschüsse und Engpässe sofort automatisiert untereinander ausgleichen kann. Am Ende der Entwicklung steht ein sechsmonatiger Praxiseinsatz im Versorgungsgebiet des Stromanbieters e-regio, westlich von Bonn, bei denen Kunden das System unter realen Bedingungen testen. „Mit dem Blockchain-Stromhandelssystem, das wir in BEST entwickeln, leisten wir einen wichtigen Beitrag zur Digitalisierung und zur Beschleunigung der Energiewende“, fasst Projektleiter Pieniak das Projektziel zusammen. „Für die Forschung ist uns außerdem wichtig, dass das SMBS als Open-Source-Software entwickelt wird – die Technik dahinter wird vollständig offengelegt und kann von allen Interessierten überprüft und reproduziert werden.“

Die Schlüsselrollen Sensorik und Messtechnik

Sensorik und Messtechnik – Daten sind das Gold der vernetzten Welt. Denn um sie zu erfassen, werden immer mehr Objekte mit Sensoren ausgestattet. Die Messgeräte werden dabei immer leistungsfähiger – und dabei oftmals nicht größer als ein Stecknadelkopf.

In allen aktuellen technologischen, von der Digitalisierung geprägten „Mega-Trends“ spielen Sensorik und Messtechnik eine Schlüsselrolle: „Digitale Innovationen durchdringen nahezu alle Bereiche des Lebens, sie verändern die Arbeit, die Kommunikation und ermöglichen neue Produkte und Services. Allen gemein ist, dass sie auf den Daten basieren, die Sensoren erfassen und auswerten“, sagt Dr. Andreas Schütze, Professor für Messtechnik an der Universität des Saarlandes und Juryvorsitzender des vom deutschen AMA Verband für Sensorik und Messtechnik vergebenen Innovationspreises. Und Innovationen bringt diese Branche immer wieder hervor: Es werden immer wieder neue Firmen gegründet, neue Materialien erforscht und neue Technologien eingesetzt.

Kleiner, digitaler, vielseitiger – Sensorik

Dabei lassen sich grundsätzlich drei Schlüsseltrends identifizieren. Der erste ist die Miniaturisierung. In der zunehmend vernetzten Welt soll nahezu jedes Gerät Informationen zur Umwelt und zur jeweiligen Applikation sammeln. Das erfordert entsprechende Sensoren, die dank ihrer geringen Abmessungen kaum Platz im jeweiligen Gerät einnehmen. Dennoch sollen sie aber eine hohe Leistung bringen. Und das bei möglichst geringem Energiebedarf.

Der zweite Schlüsseltrend ist die Digitalisierung der Sensoren selbst. Zunehmend smarte Sensoren erfassen nicht nur Daten, sondern werten sie auch gleich aus und übertragen nur noch die Ergebnisse an übergeordnete Systeme oder die Cloud.

Der dritte wichtige Trend ist die Sensorfusion: Die smarten Gegenstände des Internets der Dinge erfordern Multi-Sensoren, die gleich mehrere Arten von Messungen in einem möglichst kleinen Gehäuse ausführen können.

Gebündelte Messwerte in der Messtechnik

Für derartige Multisensoren gibt es inzwischen einige Beispiele, wie die Plastosens-Sensoren von Jumo. In Form eines Modulbaukasten wird Sensorik für verschiedene Messgrößen wie etwa Temperatur, Feuchtigkeit, Druck oder Kraft in einem Kunststoffgehäuse verbaut. Mittels Energy-Harvesting versorgen sich die Module selbst mit Energie. Die Sensorsignale werden drahtlos durch eine Bluetooth-Schnittstelle übertragen. Noch einen Schritt weiter gehen Sensoren, die nicht nur Daten erfassen, sondern auch gleich an Ort und Stelle verarbeiten. Insbesondere bei Bildsensoren sind entsprechende System bereits heute im Einsatz. So werden Daten in Hochgeschwindigkeit am Ort des Entstehens verarbeitet und nur die erforderlichen Informationen extrahiert. Dies ermöglicht es, bei der Nutzung von Cloud-Diensten die Latenzen bei der Datenübertragung zu verkürzen, Datenschutzvorgaben Rechnung zu tragen und den Energieverbrauch sowie die Kommunikationskosten zu senken.

Empfindsame Zwerge

Für die Miniaturisierung der Sensoren stehen vor allem MEMS. Sie besitzen Siliziumstrukturen im Inneren, die teilweise um ein Vielfaches dünner als ein menschliches Haar sind. Dadurch können sie mikroskopisch kleine Bewegungen in elektrische Signale umwandeln, sie als Informationen verarbeiten und weitersenden. Das macht sie sozusagen zu Sinnesorganen der technischen Welt. Sie messen Drücke, Beschleunigungen, Drehraten, Feuchtigkeit und vieles mehr.

Laut Bosch wird erwartet, dass künftig hunderte Milliarden MEMS-Bauelemente in den unterschiedlichsten Anwendungen benötigt werden. Dabei geht es neben dem großen Feld des IoT auch um automatisiertes Fahren. Zum Beispiel wenn MEMS-Sensoren das Auto zur Eigenlokalisierung ohne Umfeldsensorik oder GPS, allein basierend auf Beschleunigungs- und Drehrateninformationen, befähigen.

Gerade das automatisierte Fahren benötigt eine Vielzahl an Sensoren. Dabei sind sogenannte Time-of-Flight-Sensoren (ToF) ein wichtiger Baustein. Sie bestimmen die Entfernung zu einem Objekt, indem sie die Laufzeit eines ausgesendeten Lichtimpulses messen. Nach diesem Prinzip arbeiten zum Beispiel LiDAR-Systeme (Light Detection and Ranging). Inzwischen gibt es ToF-Lösungen als kleine, integrierte Module. Mit einem Bauraum von gerade einmal acht Kubikmillimetern passen sie problemlos in ein Smartphone. Hier sorgen sie dafür, dass sich der Autofokus der Smartphone-Kamera präzise auf das zu fotografierende Objekt einstellt. Mit Preisen von unter drei Dollar sind sie aber auch für viele andere Consumer-Anwendungen interessant., zum Beispiel für die schnelle Kollisionserkennung und -vermeidung bei Staubsaugrobotern oder für die Anwesenheitserkennung bei Notebooks.

Spektroskopie im Taschenformat

Neueste Technologien im Bereich optischer Sensoren sind Systeme, die das Spektrum eines ausgesendeten und reflektierten Lichtstrahls messen. Die Durchführung einer derartigen spektrografischen Analyse erforderte bis dato ein eigenes Labor – heute gibt es entsprechende Lösungen, die auf ultra-dünnen Infrarot-Chips mit hoher Detektionsfähigkeit basieren.

Dazu gehören die Kompaktspektrometer der Serien Qmini und Qwave von Broadcom, die modernste optische und elektronische Komponenten kombinieren. Sie ermöglichen leistungsstarke spektroskopische Messungen von ultraviolettem, sichtbarem und nah-infrarotem (NIR) Licht. Die Spektrometer decken einen Bereich zwischen 190 und 1.100 Nanometer ab, und das in einem kleinen Formfaktor. Dabei sind keine internen beweglichen Teile erforderlich, wodurch jede Möglichkeit einer optischen Fehlausrichtung vermieden wird. Dies gewährleistet eine zuverlässige und stabile Langzeitleistung.

Derartige preisgünstige Spektrometer eignen sich perfekt für die Integration in hohvolumige Applikationen und für verschiedene Einsatzgebiete wie Prozesssteuerung und -überwachung, biomedizinische Anwendungen, chemische Forschung, Umweltanalyse, medizinische und pharmazeutische Anwendungen, forensische Analyse, Raman-Spektroskopie und viele andere.

Auch AMS bietet, unterstützt von EBV, spektral integrierte Sensoren, die Inhaltsstoffe und Zusammensetzungen in industriellen Rohstoffen, landwirtschaftlichen Produkten oder Lebensmitteln für die Qualitätssicherung „on the go“ erkennen. Mögliche Anwendungen reichen von der Farbkommissionierung bzw. dem Farbabgleich über die Authentifizierung bis hin zur Farb- und Spektralanalyse von Materialien und Flüssigkeiten. Die hochgradige Integration mit moderner CMOS-Filtertechnologie gewährleistet eine lebenslange Kalibriergenauigkeit und ermöglicht es den Geräteherstellern, Präzision auf Laborniveau auf den Markt zu bringen.