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Sensoren werden schon heute in immer größerem Umfang mit der gegenüber herkömmlichen Messsystemen wesentlich energieeffizienteren und kompakteren MEMS-Technologie gefertigt Damit erschließen sich auch der Kombination aus Sensor plus Microcontroller plus Funkübertragung immer mehr Anwendungsgebiete Dazu zählen neben dem Smart Metering und der Heizungs- und Klimasteuerung in der Gebäudetechnik vor allem die Zustands- und Prozessüberwachung in der Industrie Umfang mit der gegenüber herkömmlichen Messsystemen wesentlich energieeffizienteren und kompakteren MEMS-Technologie gefertigt. Damit erschließen sich auch der Kombination aus Sensor plus Microcontroller plus Funkübertragung immer mehr Anwendungsgebiete. Dazu zählen neben dem Smart Metering und der Heizungs- und Klimasteuerung in der Gebäudetechnik vor allem die Zustands- und Prozessüberwachung in der Industrie.

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Externer Thermoharvester: Umsetzung von Abwärme in elektrischen Strom für Funksensoren und Mikro-Aktoren.

Die meisten ULP-Wireless-Systeme nutzen einen Funk-Chip nach dem Standard IEEE 802.15.4, der das weltweit verfügbare 2,4-GHz-ISM-Band nutzt. Mit einer Übertragungsrate von typisch 250 kBit/Sec eignet sich dieser Standard für schnelle Übertragungen mit geringem Datenvolumen. Eben das trifft auf Messdaten zu, die nicht kontinuierlich, sondern in gewissen, meist regelmäßigen Abständen erfasst und übertragen werden. Auf dieser Norm basiert inzwischen eine große Zahl von Chiparchitekturen und Microcontroller-integrierten Funkmodulen. Standardisierte Protokolle wie RF4CE, ZigBee und WirelessHART setzen ebenso darauf auf, genauso wie viele proprietäre Protokolle und individuelle Funklösungen. Auf allen Ebenen gibt es erhebliche Anstrengungen zur weiteren, oft anwendungsspezifischen Standardisierung.
Insbesondere im Bereich der industriellen Prozess- und Zustandsüberwachung lassen sich mit Hilfe der drahtlosen Sensortechnik enorme wirtschaftliche Potenziale erschließen. Es ist hier sogar die Rede von der letzten noch ausstehenden großen industriellen Rationalisierungswelle: Viele Prozesse könnten sehr viel genauer und damit effizienter gefahren werden, wenn lückenlose Messdaten entlang der Prozesskette verfügbar wären. Die Energieeffizienz von Maschinen, Anlagen und Prozessen, ihr Nutzungsgrad und die Anlagenverfügbarkeit ließen sich enorm verbessern, die Wartungskosten und Betriebsrisiken bedeutend senken. Die heute vorherrschende präventive oder die vielerorts immer noch praktizierte reaktive Instandhaltung könnte auf dieser technischen Basis flächendeckend auf einen zustandsbasierten Ansatz umgestellt werden.
Die Voraussetzungen für einen solchen Paradigmenwechsel sind vielfach schon vorhanden. So verfügen viele Hersteller von Anlagen und Komponenten, etwa von Wälzlagern und Pumpen, bereits  über Systeme und Algorithmen, um Maschinenzustände und tatsächliche Wartungserfordernisse exakt zu erfassen und auszuwerten. Bis heute sind diese Systeme aufgrund ihrer geringer Stückzahlen jedoch verhältnismäßig teuer. Sie werden deshalb nur bei sehr hochwertigen, gefahrenträchtigen oder systemkritischen Anlagen stationär eingesetzt. Der aktuelle Trend geht jedoch bereits in eine größere Abdeckung der messtechisch unterstützten Anlagenüberwachung.
So werden zunehmend Messsysteme und ‚Active RFID‘ genannte, aus kurzen Entfernungen auslesbare Datenlogger, zur drahtlosen Auslesung gesammelter Messdaten aus kurzen Entfernungen eingesetzt, um so die Verfügbarkeit und den Wartungsbedarf auch weniger kritischer Anlagen abzusichern.
Will man sich jedoch gegen kurzfristig eskaliernde Schäden und Brüche bei Lastspitzen absichern, die bei gelegentlichen Kontrollen im Abstand von typisch einigen Wochen nur mit viel Glück erfasst würden, ist eine dauernde faktisch kontinuierliche Überwachung unumgänglich. Dazu werden Sensoren benötigt, die relevante Maschinen- und Prozess-Parameter in geeigneten hinreichend kleinen Zeitabständen erfassen. Die gewonnenen Daten müssen dann in geeigneter Form zur Prozessoptimierung und Maschinen-Zustandsauswertung den jeweils zuständigen Stellen in den Prozess- und Instandhaltungs-Leitstellen zur Verfügung gestellt werden.
Die konsequente Verfolgung eines solchen Ansatzes bedeutet notwendigerweise eine hohe Zahl von Messpunkten für Temperaturen, Drücke, Schwingungen, Drehmomente, Durchflüsse und mehr. Aber obwohl niemand bezweifelt, dass deutlich über 50 % der derzeitigen Instandhaltungsausgaben vollkommen nutzlos sind, steht die flächendeckende Anwendung der Funksensorik zur Zustandsüberwachung und Prozessoptimierung nach wie vor aus. Warum? Das Problem liegt in der Energieversorgung.

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Modulares Funksensor-Evaluationssystem: ein Werkzeug zum schnellen Einstieg, zur Qualifizierung verfügbarer Energiebudgets und zur Lastsimulation.

Möglichst alle Verkabelungen sollen entfallen
Die Energiequelle funkgestützter Applikationen ist nämlich in nahezu allen Fällen ein Batteriesatz. Das ergibt sich aus der Tatsache, dass die wesentliche Motivation, Funk zu verwenden, in der Regel darin besteht, an Mobilität zu gewinnen, aber auch bei stationären Geräten auf Kabel verzichten zu können. Das betrifft nicht nur die Kabel zur Signalübertragung, sondern auch jene zur Energieversorgung. Auf diese Weise lassen sich nicht nur erheblich Installationskosten sparen, sondern auch zusätzliche Flexibilität bei Installation und Nutzung gewinnen.
Akkus scheiden als Energiequelle aus, denn es ist nicht praktikabel, ein festinstalliertes Gerät regelmäßig in eine Ladestation zu stellen. Niemand wird zudem, in welchen Zeitabständen auch immer, Akkus tauschen wollen. Aber auch Batterien haben, trotz ihrer gegenüber Akkus höheren Energiedichte, den entscheidenden Nachteil einer endlichen Lebensdauer. Für Consumer-Produkte ist ein gelegentlicher Batteriewechsel ein akzeptiertes Übel. Sobald aber institutionelle oder industrielle Anwender sich der Notwendigkeit gegenüber sehen, an Hunderten oder gar Tausenden Geräten regelmäßig die Batterien tauschen und entsorgen zu müssen, ist der Reiz der drahtlosen Freiheit schnell dahin.
Einen Ausweg aus dieser speziellen ‚Energiekrise‘ bietet die sogenannte Energy-Harvesting-Technologie. Energy Harvesting bezeichnet die Wandlung von Verlust-, Abfall- oder Überschuss-Energie in nutzbare elektrische Energie. Abwärme, Maschinen-Schwingungen, Magnetfelder, oder Licht werden zum Betrieb von ULP-Elektronik nutzbar gemacht.
Auf diese Weise soll der Zwang zu möglichst geringem Energieverbrauch drahtloser ULP-Systeme entschärft und gleichzeitig die Batterie-Wartungskosten dauerhaft eliminiert, oder die allfälligen Batterie-Wartungszyklen zumindest erheblich verlängern werden. Da diese Primär-Energien nicht eigens erzeugt werden, lässt sich die vom Harvester abgegebene Energie als kostenlos betrachten. Der Gesichtspunkt des Wirkungsgrads spielt damit praktisch keine Rolle, solange die gewonnene Energie sinnvoll genutzt werden kann. Unterschiedliche Hersteller aus Europa und den USA sind inzwischen mit verschiedenen Varianten des Energy Harvesting auf den Markt gegangen und haben damit den fälligen Paradigmenwechsel in der ULP-Energieversorgung in Gang gebracht.

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Mikro-Thermogenerator MPG-D751: Energieerzeugung erfolgt bereits bei Temperatur-Differenz unter 10 K.

Thermoharvesting ist eine naheliegende Lösung
Thermisches Energy-Harvesting, inzwischen auch kurz ‚Thermoharvesting‘ genannt, ist ein besonders naheliegender Ansatz. Er nutzt nämlich eine sehr breit verfügbare ‚Primär-Energiequelle‘: Abwärme aus warmen und heißen Prozessen, aus Roll- und Reibbewegungen, der Energieerzeugung und Verteilung oder ähnlichen Vorgängen.
Auf diesem Sektor hat das Freiburger Unternehmen Micropelt seinen Fokus gelegt und inzwischen eine weltweit anerkannte Führungsposition erreicht. Die Verschmelzung zweier Basistechnologien, der thermoelektrischen Materialwissenschaft und der massenhaften Chipherstellung, bilden die Grundlagen der sogenannten Mikro-Thermogeneratoren (TEG) von Micropelt. Die Grundlagen wurden über 8 Jahre am Freiburger Fraunhofer IPM-Institut im Auftrag von Infineon entwickelt. 2006 erfolgte dann die Ausgründung als Management- und Team-Buyout mit Risikokapital-Unterstützung. Die Tübinger SHS trat dabei als Leitinvestor auf.
Ab welchem Punkt aber kann ein Thermogenerator eine vollwertige Alternative zu Batterien sein? Als Referenzgröße dient hier die Netto-Energieentnahme eines Systems über die spezifizierte Batterielebensdauer, beispielsweise  auf ein Jahr. Die Nettobetrachtung ist deswegen so wichtig, weil insbesondere bei mehrjähriger Batterie-Lebensdauer die Selbstentladung einen zunehmenden Anteil am Energieverlust der Zelle hat. Sobald der Harvester im Verlauf eines Jahres zumindest die Netto-Energiemenge produziert, die dem tatsächlichen Verbrauch des zu versorgenden Systems entspricht, ist eine positive Energiebilanz gegeben. Der Kosten-Vorteil des Harvesters ist also über die entfallenden Wartungskosten leicht zu bestimmen. Kann dann der  Verbraucher im Falle eines deutlichen Energieüberschusses sogar noch zusätzliche Aufgaben übernehmen, etwa die Messung einer weiteren Größe oder zur Regelung verwendbare Abtastraten, so sind extrem kurze Amortisationszeiten realisierbar.

Kooperation

Partner im Netzwerk
Micropelt hat begonnen, ein Netzwerk von Partnerunternehmen aufzubauen. Hier finden sich Hersteller von ULP-Funkchips, Microcontrollern und Kombilösungen wie TI, Jennic, GreenPeak oder Atmel, Anbieter von Energiespeichern wie ST Microelectronics, IPS, CapXX oder Cymbet.  Wireless-Systemintegratoren wie IMST, Vitelec oder Dresden Elektronik, haben erste eigene Komplettlösungen mit autarker, batterieloser Energieversorgung auf Basis des TE-Power NODE umgesetzt, und bieten diese Erfahrungen nun den Unternehmen an, die eigene Lösungen entwickeln wollen, aber nicht über die erforderlichen Ressourcen verfügen. Auch die Zusammenarbeit mit Funksensor-OEM-Herstellern wie ABB, Emerson Process Management oder Pepperl & Fuchs, die ihre vorhandenen Produkte schrittweise mit Energy Harvesting kompatibel machen, und neue Funksensoren entwickeln. Micropelt beteiligt sich  auch an der Entwicklung von Normen für geräteneutrale Schnittstellen und entwickelt Schnittstellenmodule, um dem Anwender die Wahl des geeigneten Harvesters unabhängig von Hersteller und Wandlerprinzip freizustellen. In enger Kooperation zwischen ABB und Micropelt wurde kürzlich in einem Pilotprojekt ein energieautarker WirelessHART-Temperaturtransmitter mit voll integrierter TEG-Energieversorgung als mittlerweile preisgekrönter Technologieträger vorgestellt.

Maximale Leistung zu erzielen ist jedoch oftmals gar nicht erforderlich, um eine Funktionalität zu realisieren. Sobald die vom Harvester erzeugte Energie, über alle Schwankungen gemittelt, für den beabsichtigten Zweck ausreicht, ist der Harvester optimal dimensioniert.
Mit diesem Konzept und dem Ziel maximaler Einsatzflexibilität entwickelte Micropelt den TE-Power NODE, einen batterielosen Funksensor mit integriertem Thermoharvester. Sämtliche Aspekte des Thermoharvesting sollten für jeden Interessierten einfach nachvollziehbar, Entwicklern alle beachtenswerten Aspekte an die Hand gegeben werden.
So wurde der TE-Power NODE einschließlich weiterer Varianten offen und vollkommen modular konzipiert. Der Energiebedarf zur Funktionserfüllung sollte dabei möglichst einfach und selbst unter thermisch relativ ungünstigen Umständen leicht zu decken sein. Inzwischen ist die zyklische Optimierung dieses Systems so weit gediehen, dass es bei normaler Raumtemperatur mit menschlicher Körperwärme als Energiequelle funktioniert.

Kontakt:
Micropelt GmbH
Tel.: 0761 1563370
Email: info@micropelt.com
www.micropelt.com