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Aus dem Facharchiv: Arbeitsschutz, Arbeitssicherheit, Betriebsführung
Energy Harvesting – 
Energie aus der Umwelt, Teil 5: Magnetfeld-, Schall- und mechanische Energie

Im letzten Teil dieser Serie [1] – [4] zur Energiegewinnung aus der Umwelt bilden praktische 
Anwendungen zur Nutzung der Energie des Magnetfelds (wie energieautarke Sensoren für 
elektrische Anlagen) einen Schwerpunkt der Betrachtungen.

Funk-Sensor bezieht seine Energie aus dem Magnetfeld einer Stromschiene Dieser energieautarke Sensor [5] überwacht ständig die Temperatur des elektrischen Betriebsmittels, um Unregelmäßigkeiten im Betrieb aufdecken zu können. (Quelle: Micropelt)

In dem Bereich mechanischer 
Energien kann man beispielsweise die „geerntete“ Energie gut für Funkzwecke verwenden. Dazu wurde der Standard für Funkanwendungen mit einem besonders niedrigen Energieverbrauch (ISO/IEC 14543-3-10) festgelegt. Erste, teilweise utopisch erscheinende Konzepte zur Energiegewinnung aus Luftdruckschwankungen runden die Ausführungen ab.

Magnetfeldenergie

Passiver NFC-Tag

Auf dem Prinzip des induktiven Energy Harvesting aus magnetischen Wechselfeldern bauen passive NFC-Tags auf. Die Funktion der Sendespule kann jedoch jeder von Wechselstrom durchflossene Leiter übernehmen. Dabei entsteht ein konzentrisches Magnetfeld, das in Amplitude und Drehrichtung in Abhängigkeit vom Momentanwert des Stroms oszilliert.

Energieautarker Sensor 
für elektrische Anlagen

In Transformatorenstationen und Schaltschränken, wo durch kräftige Kupferschienen die Phasenströme von energiehungrigen Verbrauchern in der Größenordnung von Hunderten von Ampere fließen, lassen sich aus den begleitenden Magnetwechselfeldern ausreichende Energien durch Induktion in einer Empfängerspule „ernten“, um autarke Temperatursensoren zu betreiben, die ihre Messwerte per Funk an eine Überwachungszentrale übertragen. Das ist bei derartigen Kupferschienen sehr wichtig, denn ein Temperaturanstieg signalisiert ein nahendes Problem. Dies könnte unter anderem bestehen in

  • losen Verbindungen an den Stromschienen,
  • Korrosion und Verschmutzung,
  • Überlastungen,
  • ausgefallene Kühlung.

Das Bild zeigt einen M-Node-Sensor des Herstellers Micropelt [5]. Er wird auf die Stromschiene aufgeklemmt und deckt durch ständige Messungen rund um die Uhr mit Temperatur-Trendanalysen Fehlerquellen frühzeitig auf (Temperaturmessung im Bereich 0–150 °C).

Weil er seinen Energiebedarf vollständig aus den Magnetfeldern der Stromschienen deckt, ist keine Betriebsunterbrechung erforderlich, die beim Wechsel von Batterien zwingend wäre.

Der Sensor arbeitet schon ab 50 A (an Stromschienen ab 10 mm x 30 mm) und ist für enge Leiterabstände geeignet. Durch den lageunabhängigen Einbau und den robusten Aufbau ist er leicht nachrüstbar. Kommuniziert wird im lizenzfreien 2,4-GHz-Funkband. Mögliche Anwendungsgebiete sind:

  • Schaltschränke,
  • Stromschienen,
  • Einzelleiter,
  • Transformatoren,
  • Generatoren/Motoren.

Mechanische Energie

Als praktisches Beispiel für einen durch Fingerdruck betätigten elektrodynamischen Energy Harvester soll das Energiemodul ECO 200 von Enocean (einem Pionier für die batterielose Funktechnik) für lineare Bewegung genannt werden. In Kombination mit dem Aufbereitungs- und Funkmodul PTM 330 (868 MHz) können mit einem durch Fingerdruck ausgelösten Stromimpuls drei Subtelegramme ausgesendet werden.

Standard ISO/IEC 14543-3-10. Die International Electrotechnical Commission (IEC) hat im März 2012 mit ISO/IEC 14543-3-10 einen Standard für Funkanwendungen mit einem besonders niedrigen Energieverbrauch ratifiziert. Es ist der erste und einzige Funkstandard, der auch für Energy-Harvesting-Lösungen – und damit für die batterielose Funktechnologie von Enocean – optimiert ist. Zusammen mit den Anwendungsprofilen (Enocean Equipment Profiles, EEPs) der Enocean Alliance schafft dieser internationale Standard die Voraussetzungen für eine vollständig interoperable, offene Funktechnologie, vergleichbar mit Standards wie Bluetooth oder WiFi. Informationen zum Standard stehen unter [6] zum Download bereit. Mittlerweile haben sich zahlreiche Unternehmen in der Enocean Alliance zusammengefunden, die eine bereits umfassende, aber ständig wachsende Produktpalette anbieten [7].

Medizintechnik. In der Medizin wird intensiv geforscht, um Energy Harvesting im Körper zum wartungsfreien Betrieb von Implantaten einzusetzen. Ein Beispiel ist der Herzschrittmacher. Er muss bisher etwa alle 10 Jahre ausgetauscht werden, wenn die Batterie erschöpft ist. Diverse Ansätze werden verfolgt, dies zu vermeiden und die Energie im Körper zu „ernten“. Beispielsweise könnten in Zukunft Piezo-Nanodrähte aus dem Schlagen des Herzmuskels selbst elektrische Energie abzweigen oder eine Bio-Brennstoffzelle sich aus der chemischen Umwandlung von Blutzucker speisen. Noch ist es bis zur Marktreife solcher Ideen ein weiter Weg, aber deren Realisierung liegt vielleicht näher, als erwartet.

Autor: K. Jungk

Literatur:

[1] Jungk; K.: Energy Harvesting – Energie aus der Umwelt; Teil 1: Micro Energy-Harvesting für Ultra-Low-Power-Elektronik – Piezoeffekt. Elektropraktiker 72(2018)1, S. 61-63.

[2] Jungk; K.: – ; Teil 2: Thermoelektrische Generatoren – elektrische Energie aus Temperaturdifferenzen. Elektropraktiker 72(2018)2, S. 144-145.

[3] Jungk; K.: – ; Teil 3: Thermoelektrische Generatoren – praktische Anwendungen. Elektropraktiker 72(2018)2, S. 252-253.

[4] Jungk; K.: – ; Teil 4: Strahlungsenergie. Elektropraktiker 72(2018)2, S. 331-333.

[5] Details zum M-Node-Sensor: www.micropelt.com/produkte/mnode.html

[6] Download zur ISO/IEC 14543-3-10: www.iso.org/home.html

[7] Zusammenstellung von Produkten auf Enocean-Basis: https://www.enocean-alliance.org/de/produkte/

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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