Kurbelt der Schießmeister an seinem Holzkasten und ruft dann laut und lang gezogen „Es brennt!“, halten Sie sich besser erst einmal die Ohren zu. Hat sich nach der Sprengung der Staub gelegt, bleibt die Frage, was altertümliche Bergbauausrüstung mit moderner Informationstechnik zu tun hat: Auch wenn es bei Funksensoren, Eisenbahntechnik und Heimautomatisierung – glücklicherweise – nicht ganz so spektakulär zur Sache geht, so erlebt genau dort das Grundprinzip der altertümlichen Zündbox unter dem Namen Energy Harvesting ein Revival. Kein Wunder, denn die Idee eines völlig autarken Gerätes, das weder externe Stromversorgung noch Batterie braucht, besticht.

Obwohl wir heutzutage reflexartig an Steckdosen, Batterien oder Akkus und Ladegeräte denken, wenn es um Versorgung für Geräte geht, prasselt Energie in den unterschiedlichsten Formen kontinuierlich auf uns ein. Das beginnt bei offensichtlichen Dingen wie der von der Zündbox genutzten mechanischen Drehbewegung einer Achse oder einfallendem Licht. Aber auch Umgebungswärme, Schallwellen und Vibrationen transportieren Energie. Selbst osmotischer oder mechanischer Druck sowie elektrische Felder können kleine Geräte speisen.

Lichtschalter ohne Kabel

Gelingt es, diese unerschöpflichen Energiequellen anzuzapfen und daraus wartungsfreie und allzeitbereite Geräte zu bauen, eröffnen sich verblüffend viele Anwendungsbereiche. Der technische Mehraufwand lohnt insbesondere dort, wo ein regelmäßiger Batteriewechsel unerwünscht, teuer oder gar unmöglich ist: Laut Murphy macht die Batterie des drahtlosen Lichtschalters am Samstagabend im Dunkeln schlapp, Wildtiere mit GPS-Halsband kommen nicht auf Zuruf zur Ladestation und ein Batteriewechsel bei einem weit verteilten Sensornetz mit Tausenden von Knoten rechnet sich nicht.

Der automatische Thermostat von Peter&Kieback gewinnt Energie aus der Hitze des Heizkörpers. Eine Solarzelle speist die dazugehörige Steuereinheit, die per Bewegungsmelder ein Nutzungsprofil des Raums erstellt und die Temperatur danach regelt. Energiespareffekt: bis zu 15 Prozent.

Energy Harvesting und Funktechnik gehen dabei Hand in Hand: So reicht zur Montage eines drahtlosen Lichtschalters ein Streifen Klebeband – keine Rede mehr von Mauerfräse, Strippenziehen und Verputzen, nur weil Bett oder Sofa mal woanders stehen sollen. Während der Schalter die für die Funkübertragung benötigte Energie per Piezoelement oder elektromagnetisch aus dem Druck auf die Taste gewinnt, bieten sich für drahtlose Bewegungsmelder Solarzellen an. Ebenfalls in den großen Themenbereich Heim- respektive Gebäudeautomatisierung gehören fernsteuerbare Thermostate (Stellglieder), die den Temperaturunterschied zwischen Heizkörper und Umgebung anzapfen.

Weil die winzigen Energy Harvester nur geringe Erträge liefern, ist entweder die Funkreichweite sehr begrenzt oder es reicht nur für sehr seltene Übertragungen. Es sei denn, viele Sensoren verbinden sich zu einem Mesh-Netzwerk. Jeder Sensor reicht empfangene Datenpakete an seine Nachbarn weiter. Im Idealfall organisiert sich ein solches Netz selbst und verkraftet Ausfälle einzelner Knoten.

Kein Wunder, dass bei diesem Thema das Militär – in Form der amerikanischen DARPA – liebend gern Geld für Forschung springen lässt. Bereits 1997 begann das Forschungsprojekt Smart Dust, 1 Kubikmillimeter kleine Sensoren zu entwickeln, die man über dem Kampfgebiet abwerfen kann. Dort bauen sie autonom ein Mesh-Netz auf und funken ihre Beobachtungen an die Zentrale. Aus dem Projekt ging die Firma Dustnetwork hervor, die sich wiederum 2011 der Halbleiterhersteller Linear Technologies einverleibt hat – Informationen zu einem konkreten Einsatz des smarten Staubs liegen uns nicht vor. Die Forschungsgruppe an der Uni Berkeley hatte aber auch noch andere Einsatzgebiete im Visier, etwa Sonarbojen, die Energie aus Wellenenergie gewinnen und Häfen überwachen.

Ozean der Energie

Messungen an sehr vielen und weit verteilten Orten eröffnen aber auch im zivilen Bereich neue Möglichkeiten: So interessiert Netzbetreiber, an welcher Stelle Hochspannungsleitungen wie heiß sind, wie stark sie momentan durchhängen oder schwingen und wie sehr der Wind kühlt. Anhand dieser Daten kann er die teuren Überlandleitungen besser auslasten, ohne muss er sie mit riesigen Sicherheitspuffern betreiben. All diese Parameter lassen sich leicht messen, doch ergeht es empfindlichen Halbleitersensoren mit Hochspannung wie Schiffbrüchigen mit Wasser: Sie schwimmen zwar mitten im Ozean, können aber doch nichts trinken.

Forscher von der TU Chemnitz und dem IZM Fraunhofer haben im Astrose-Projekt unter anderem einen Energy Harvester entwickelt, der das elektrostatische Randfeld der Überlandleitung anzapft. Die Sensoren werden mechanisch auf die Leitung geklemmt, elektrisch aber isoliert; die empfindliche Elektronik kommt nicht in Kontakt mit der Hochspannung. Daten verschicken sie per Funk.

Über ein Getriebe gewinnt dieser Harvester bis zu 200 Watt, wenn sich die Schiene durchbiegt, weil ein Zug darüber rollt.

Während all diese Anwendungen mit ein paar Milliwatt auskommen, hat ein Forschungsteam der amerikanischen Stony Brook University eine kräftige, aber nur sporadisch verfügbare Quelle aufgetan: Ihr Harvester bezieht kurzzeitig bis zu 200 Watt aus dem Druck, den ein vorbeifahrender Zug auf die Schienen ausübt. Das reicht, um an entlegenen Bahnstrecken ohne Oberleitungen Signale zu betreiben und funktioniert – anders als Solarzellen – auch unter dicken Schneedecken.

Sammeln, Speichern und Senden

Auch wenn diese Beispiele auf den ersten Blick wenig gemeinsam haben, so greifen alle energieautarken Systeme das Grundprinzip der altertümlichen Zündbox auf:

– Als Sammler dient ihr ein von der Kurbel angetriebener Dynamo. Der liefert allerdings nicht genug Strom, um die Zündung direkt auszulösen.

– Vielmehr befüllt er erst einmal einen Speicher.

– Die darin gesammelte Energie entlässt der Controller in Form des Auslösehebels stoßartig …

– in den Aktuator, sprich die Zündkapsel.

– Kabumm!

Unbegrenzter Nachschub

Kein Energievorkommen ist zu klein und kein physikalischen Effekt zu ausgefallen, um für Energy Harvesting zu kandidieren. Doch die verschiedenen Quellen haben ihre Besonderheiten: So liefern manche zwar kontinuierlich, aber nur winzige Energiemengen – etwa die Körperwärme eines Wildtieres. Unterdessen bleibt Licht in geschlossenen Räumen mitunter tagelang aus. Oder ein vorbeifahrender Zug liefert kurzfristig enorme Druckkraft, danach herrscht aber womöglich stundenlang Flaute. Eine weitere wichtige Rolle spielen die Eigenschaften des Energiespeichers sowie der Wirkungsgrad des Harvesters respektive des genutzten Verfahrens. Letztlich besteht die Kunst darin, Sammler, Speicher und Verbraucher so auszubalancieren, dass das Gesamtsystem zuverlässig funktioniert. Die Abwägung läuft – vereinfacht dargestellt – in etwa so:

– Alles beginnt mit der Abgabeleistung der Quelle. So hat eine Solarzelle mittags in der Sahara leichtes Spiel, im schummrigen Hausflur aber einen schweren Stand.

– Je effektiver der Sammler arbeitet, desto kompakter kann er ausfallen. Leistung pro Fläche oder Volumen ist die zentrale Kenngröße.

– Steht die Quelle kontinuierlich zur Verfügung – etwa das elektrische Feld einer Hochspannungsleitung –, bedarf es keiner großen Vorräte. Es reichen kleine Sammler und Speicher.

– Das Umgekehrte gilt für unzuverlässige Lieferanten. Dann muss der Sammler den Speicher möglichst schnell befüllen, wenn die Quelle gerade sprudelt.

– Wie viel Ernte ein System einfahren muss, hängt von den Kosten pro Aktion und deren gewünschter Häufigkeit ab.

Weil bei Sensoren die Funkübertragung die meiste Energie frisst, bietet sich folgende Optimierung an: Der Controller sammelt Messdaten eine Weile lang und überträgt sie erst bei ausreichendem Ladestand des Speichers. Das klappt nicht, wenn minimale Latenz im Vordergrund steht.

Die Grafik auf der rechten Seite zeigt die Energiebilanz eines Energy-Harvesting-Systems schematisch. Konkrete Zahlen liefert beispielsweise Enocean für ein Solarfunkmodul: Bei 400 Lux – also etwa in einem Büro – erbeutet die Solarzelle 20 µW. Im Tiefschlaf braucht der Controller 60 nW, um seinen Timer am Laufen zu halten. Für eine Messung wacht er für 2,5 ms auf und frisst dabei 10 µWs. Ohne Laden des Speichers und Datenübertragung reicht das bei kontinuierlicher Beleuchtung für zwei Messungen pro Sekunde. Die Übermittlung eines Funktelegramms kostet unterm Strich 110 µWs – wäre also etwa alle 6 Sekunden möglich.

Angenommen, der Superkondensator speichert bis zu 600 mWs oder genug Energie für 5400 Messungen und Transfers, so dauert es neun Stunden, um ihn zu laden. Bei einer Übertragung alle zwei Minuten kommt das System eine Woche lang ohne Licht aus. Anders ausgedrückt: Bescheint Licht mit mindestens 400 Lux den Sensor für mehr als 1,2 Stunden pro Tag, ist dessen Energiebilanz positiv und er kann einen Vorrat anlegen.

Strom aus Licht: Bestens erforscht, aber launisch

Kaum ein anderer Sammler liefert so hohe Erträge wie Solarzellen: Bei strahlendem Sonnenschein (100 000 Lux) erreicht Photovoltaik bis zu 100 mW/cm2. Doch in diesen Genuss kommen nur die wenigsten Harvester – eine Flurbeleuchtung schafft gerade einmal 100 Lux. Folglich rechnet beispielsweise Texas Instruments für Innenräume mit 10 µW/cm2 – also einem Zehntausendstel des Idealwertes. Harvesting-Spezialist Enocean bringt bei seiner Wort-Case-Rechnung noch eine weitere Dimension ins Spiel und geht davon aus, dass eine düstere Treppenhausbeleuchtung mit 50 Lux sogar nur sechs Stunden pro Tag brennt.

Genau wie Licht gehören auch Funkwellen in die physikalische Kategorie der elektromagnetischen Strahlung. Im Prinzip reicht eine Antenne als Harvester, doch die Erträge sind minimal: So kann man in städtischen Gebieten Mobilfunknetzen etwa 100 und WLAN 1 nW/cm2 klauen.

Extrem von der Distanz zwischen Quelle und Harvester hängt die Ausbeute bei Verfahren ab, die elektrische oder magnetische Felder abgrasen. Sie ergeben eigentlich nur direkt an der Quelle Sinn – etwa im Nahfeld von Hochspannungsleitungen oder starken Motoren.

Umgebungswärme nutzen

Die Thermokamera zeigt, wie der thermoelektrische Generator des Heizungsreglers arbeitet: Hitze liefert das Ventil im Vorlauf, als Kühlkörper dient eine große Aluplatte an der Front.

Aus Temperaturdifferenzen von ein paar Grad gewinnen thermoelektrische Generatoren Strom. Bei großen Gradienten – etwa in Industrieanlagen – sind bis zu 10 mW/cm2 möglich. Ein Harvester, der die Körperwärme anzapft, erntet bei gleicher Größe indes nur ein Vierhundertstel davon. Die Umwandlung von Temperaturdifferenz in Strom funktioniert mittels Seebeck-Effekt: Zwischen zwei Kontaktstellen aus verschiedenen Metallen oder Halbleitern fällt eine Spannung ab, sobald sie unterschiedliche Temperaturen haben. Die Umkehrung dieses Prinzips ist auch unter dem Namen Peltier-Effekt bekannt und kommt etwa bei Camping-Kühlschränken zum Einsatz.

Die Peltier-Elemente vom Micropelt bestehen aus zwei zu einem Sandwich verklebten Silizium-Scheiben. Jeder einzelne Kontakt trägt seine Thermospannung bei.

Die deutsche Firma Micropelt hat sich auf Peltier-Elemente für Energy Harvester spezialisiert und stellt diese in einem speziellen Dünnfilm-Verfahren aus Halbleitern her. Die Grafik auf Seite 164 veranschaulicht das Prinzip: Zwei Silizium-Scheiben mit dreidimensionalen Strukturen werden wie ein Pausenbrot zusammengeklappt. Dabei entstehen pro Quadratmillimeter mehr als 100 Kontakte zwischen den beiden unterschiedlich dotierten Dice und damit lauter winzige Peltier-Elemente. Eine ausgewogene Mischung aus in Reihe und parallel geschalteten Kontaktpärchen bringt Spannung und Innenwiderstand in einen für handelsübliche Spannungswandler sinnvoll nutzbaren Bereich. Kühlt man nun die Oberseite und heizt die untere, entsteht ein kompakter Harvester. Selbst beim Einsatz von Halbleitermaterialien bleibt der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Generatoren mit durchschnittlich 10 und bestenfalls 18 Prozent niedrig, insbesondere weil zwischen den Kontakten zwangsläufig ein Wärmeaustausch stattfindet.

Quizfrage: Wofür könnte dieses Gerät gut sein? (Tipp: Die Antwort finden Sie auf Seite 163.)

Laut Datenblatt erntet der 3,4 mm × 2,5 mm große MPG-D651 mit seinen 286 Kontaktpärchen rund 3 mW – bei einer Temperaturdifferenz von 20 Kelvin. In der Praxis schmälern allerdings die unvermeidlichen thermischen Übergangsverluste zwischen Harvester und Wärmelieferant sowie elektrische Verluste auf dem Weg zum Akku diesen Ertrag. Das Bild auf der linken Seite zeigt, wo der Hase im Pfeffer liegt: bei der Kühlung der Rückseite des Peltierelements. Der Pipe Harvester zum Aufklemmen auf eine heiße Rohrleitung braucht dazu einen Kühlkörper mit einem Zigfachen des Chipvolumens.

Tastendruck als Stromerzeuger

Licht und Wärme kommen völlig unabhängig vom Bedarf vor. Unterdessen tritt die mechanische Energie, mit der man einen Lichtschalter betätigt oder die Knöpfe einer Fernbedienung drückt, immer genau dann auf, wenn der Anwender das Gerät nutzt. Dafür blitzt sie nur extrem kurz auf und ist minimal. Für die Ernte kommen sowohl Piezoelemente als auch elektromagnetische Verfahren infrage: Bei ersteren verformt mechanischer Druck einen Piezokristall und dessen Gitterstruktur. Dadurch ändern Ladungsträger ihre Position und es entsteht eine (geringe) elektrische Spannung. Genutzt wird dieser Effekt unter anderem in Feuerzeugen und Gasanzündern. Um allerdings aus einem einzigen Tastenhub genug Energie zu gewinnen, muss man den Kristall sehr stark verformen, sprich er hält nur eine sehr begrenzte Anzahl von Zyklen durch.

Der winzige Metallbügel bewegt einen Permanentmagneten in der Spule des Harvesters Eco 200, der wiederum induziert eine Spannung. Eine Magnetbewegung liefert genug Saft für zwei Enocean-Funktelegramme.

Das dürfte der Grund sein, warum die von Philips 2011 vorgestellte batterielose Fernseherfernbedienung nie auf den Markt kam und Enocean bei drahtlosen Lichtschaltern mittlerweile von Piezoelementen auf kompakte Spulen umgestellt hat. Der Schalter verschiebt dann einen darin befindlichen Permanentmagneten. Dessen Bewegung induziert eine Spannung und liefert letztlich pro Schalterbewegung 120 bis 210 µWs – genug für zwei Funktelegramme.

Der piezoelektrische Harvester V22BL von Mide gibt elektrische Energie ab, wenn man ihn verbiegt oder am besten in Schwingung versetzt.

Interessanter ist der Piezoeffekt für Harvester, die Vibrationen mit kleiner Amplitude, aber hoher Frequenz anzapfen – etwa ein Regensensor, der an der Windschutzscheibe eines Pkw klebt. Die Effizienz hängt sehr von der Frequenz ab: Ideal sind Vibrationen im kHz-Bereich. Allerdings liegen viele Oberflächenschwingungen eher bei einigen Hundert Hertz. Texas Instruments geht davon aus, dass man im industriellen Umfeld bis zu 100µW/cm2 ernten kann. Vom menschlichen Körper erzeugte Schwingungen – etwa beim Laufen – haben unterdessen noch viel geringere Frequenzen und liefern daher nur rund 4 µW/cm2. Noch viel weniger liefern Schallwellen (1µW/cm2 bei 100 dBA).

Neben Piezo- und elektromagnetischen Verfahren hat auch die Elektrostatik eine Methode zur Energieumwandlung parat: Bewegt man die Platten eines Plattenkondensators aufeinander zu oder voneinander weg, entsteht eine Spannung.

Mechanik im Millimetermaßstab

Unabhängig davon, wie die Umwandlung letztlich erfolgt, bedarf es oft noch mechanischer Tricks und Zwischenschritte: So schwingt eine Brücke zwar, der Harvester kann das aber nicht direkt nutzen, weil er sich mit ihr bewegt und keinen Fixpunkt hat.

– Soll ein Magnet in einer Spule auf und ab gleiten, hilft eine Kombination aus Schwungmasse und Spiralfeder.

– Piezoelemente platziert man indes am besten auf Ober- und Unterseite einer federnden Zunge mit Schwungmasse am losen Ende.

– Kräftige Linearbewegungen wie sie bei einer Eisenbahnschiene auftreten, wenn ein Zug vorüberrattert, können Getriebestangen und Zahnräder in Rotation umwandeln und an einen Dynamo weiterleiten.

– Auch ein Schwungrad kann als Zwischenspeicher oder in Kombination mit einem Getriebe zur Anpassung von Frequenzen helfen.

Winzige Piezoelemente in einem mikroelektromechanischen System (MEMS) gewinnen Energie aus Vibrationen.

Getriebe, Massen und Federn klingen zwar nach großen Apparaturen, doch das täuscht. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind nur wenige Millimeter groß. MEMS-Technik steckt unter anderem in den Gyro-Sensoren moderner Smartphones.

Superkondensator trifft Supersparer

Während für den Harvester die Devise „je mehr, desto besser“ gilt, sollen die Verbraucher eines energieautarken Systems so sparsam sein wie irgend möglich. Für den Mikrocontroller heißt das insbesondere, dass er im Standby – wenn nur noch der Timer läuft – kaum Energie schlucken darf. So hat etwa Texas Instruments Anfang 2012 unter dem Codename Wolverine einen Controller vorgestellt, der im Standby trotz aktiver Echtzeituhr nur 360 Nanoampere aufnimmt. Leider verrät TI nicht, für welche Spannung dieser Wert gilt. Aus seinem Dornröschenschlaf wacht Wolverine in nur 6,5 Mikrosekunden auf und arbeitet dann bei 1,8 bis 3,6 Volt Betriebsspannung mit 100 µA/MHz.

Für solche genügsamen Verbraucher kommen ganz andere Energiespeicher infrage als für Handys, Notebook oder Akkuschrauber. Superkondensatoren speichern zwar nicht so viel Ladung wie Li-Ionen-Akkus, verkraften aber sehr viel mehr Ladezyklen und viel höhere Ströme. Anders ausgedrückt: Man kann sie rund zehn Mal so schnell laden und entladen wie normale Akkus.

Anders als die üblicherweise in elektronischen Schaltungen eingesetzten Folien-, Keramik- und Elektrolytkondensatoren entsteht die Kapazität eines Superkondensators nicht primär durch das Dielektrikum, sondern die Kombination zweier anderer Effekte: An den Grenze zwischen Elektroden und Elektrolyt bilden sich Helmholtz-Doppelschichten und speichern elektrostatisch Ladung. Redoxreaktionen an der Elektrodenoberfläche lagern weitere Energie elektrochemisch ein. Beide Speicherarten sind untrennbar miteinander verwoben, je nach Bauweise dominiert aber die eine oder andere.

Jede Firma hat ihr eigenes Rezept und vor allem einen dafür passenden Marketingnamen. So spricht etwa Digikey von polyalkenischen – also organischen – Halbleitern (PAS) und baut die Elektroden aus leitfähigem Polymer. Ins Gehäuse einer Knopfzelle mit 4,8 mm Durchmesser passt so ein Kondensator mit einer Kapazität von 0,06 Farad respektive 20 µAh. Die großen Geschwister bringen es auf 1 bis 50 Farad. Allesamt überleben 100 000 Ladezyklen.

Die auf Speicher für Energy Harvester spezialisierte Firma Infinite Power Solutions baut unter dem Namen Thinergy Micro-Energy Cells (MEC) Li-Ion-Akkus in Dünnfilmtechnik. Sie sind dünn wie Papier (0,17 mm), kommen mit Temperaturen von -40 bis +85 °C klar und speichern bei 4,1 Volt bis zu 2,2 mAh. Laut Hersteller schaffen auch sie 100 000 Zyklen.

Kleine Pakete, wenig Verzögerung

Als Funkschnittstelle für autonome Sensoren taugen WLAN, GSM, UMTS, Bluetooth und Co. nur sehr eingeschränkt, weil sie in erster Linie auf hohen Datendurchsatz und eine gute Energiebilanz bei großen Datenblöcken optimiert sind. Sensoren liefern in der Regel aber nur winzige Datenhäppchen, etwa die Temperatur oder einen Füllstand. Weil deren Verarbeitung oft nicht warten kann, hindern große Pakete mehr als sie nutzen. Statt hohem Durchsatz steht niedrige Latenz im Vordergrund. Zudem sollte ein einzelner Sensor die Frequenz möglichst schnell wieder freigeben, damit andere senden können. Im Idealfall klappt die Kommunikation dann sogar ohne Handshake oder andere Verwaltungsmechanismen.

Folglich gibt es einige auf Sensoren oder gar Energy-Harvesting spezialisierte Funkverfahren: Gebäudeautomatisierung steht ganz klar im Fokus der deutschen Firma Enocean und der von ihr gegründeten Enocean Alliance mit namhaften Mitgliedern wie Texas Instruments, Beckhoff, Eltako, General Electric Energy und Lightning sowie Osram. Der mittlerweile ISO/IEC-zertifizierte Funkstandard nutzt in Europa das für „Low Power Devices“ vorgesehene SRD-Band um 868 MHz und in den USA Bänder um 315 sowie 902 MHz. Die Reichweite liegt bei rund 30 Metern innerhalb von Gebäuden und bis zu 300 Metern bei freier Sicht. Bei einer Datenrate von 125 KBit/s dauert die Übertragung eines einzelnen Telegramms etwa 1 ms und braucht rund 50 µWs (50 Joule).

Zu den maximal 14 Byte für Nutzdaten wie Temperatur, Luftfeuchte oder Schalterstellung kommen noch eine 32-bittige ID, eine Prüfsumme und ein paar Statusbits. Sie zeigen unter anderem, ob ein Telegramm direkt von der Quelle kommt oder von Repeatern weitergeleitet wurde. Die Sender erwarten keine Empfangsbestätigung, sondern können direkt nach der Übertragung wieder schlafen gehen. Auch wenn zahlreiche Firmen hinter der Enocean-Alliance stehen und die Technik bereits in über 250 000 Gebäuden weltweit Dienst tut, so braucht man doch immer spezielle Empfänger.

Turnschuh an Handy, Turnschuh an Handy, …

Nicht so bei Bluetooth Low Energie (BLE) alias Bluetooth Smart, das empfangen bereits eine ganze Reihe von Smartphones. In der Praxis hapert es eher bei den Sensoren als den Empfängern. Nike hat ein paar Sportschuhe mit integrierten Sensoren angekündigt, Garmin und Casio Uhren und Polar einen Pulsmesser. All diese setzen aber (noch) auf Batterien und nicht auf Energy Harvester.

BLE nutzt dieselben Frequenzen im 2,4-GHz-Band wie andere Bluetooth-4.0-Geräte auch, sendet aber kleinere Pakete mit reduzierter Datenrate und Latenz (3 ms) und arbeitet mit einer Sterntopologie. Trotz der maximalen Sendeleistung von 10 mW soll die Reichweite mehr als 100 m betragen können. Insgesamt kommt BLE mit 10 bis 50 Prozent der Energie von normalem Bluetooth 4.0 aus. Wie viel Energie eine einzelne Übertragung braucht, geht aus der Spezifikation nicht hervor, allerdings kursieren Berechnungen, die von rund 45 µWs ausgehen.

Auch die ZigBee-Allianz hat vor Kurzem eine abgespeckte Version ihres Standards unter dem Namen „Green Power“ vorgestellt: Statt der sonst üblichen 127 Byte umfasst ein Sparpaket nur 21 Byte. Wie viel Energie ein Transfer braucht, verschleiert die ZigBee-Allianz hinter sehr abenteuerlichen Zahlenspielereien und gibt beispielsweise Joule pro Stunde bei einer bestimmten Anzahl an Übertragungen pro Tag an. Rechnet man diese zurück, braucht ZigBee Green Power rund 500 und normales ZigBee 1000 µWs pro Paket – also sehr viel mehr als BLE und das Enocean-Verfahren. Vorteil: Bereits vorhandene Mesh-Netzwerke aus ZigBee-Pro-Geräten können die Green-Power-Pakete weiterleiten. Allerdings brauchen diese Repeater Batterien oder Netzanschluss.

All diese – und noch einige weitere teils proprietäre – Funkverfahren arbeiten nur im Nahbereich. Sobald große Distanzen zwischen Sender und Empfänger liegen, bleibt nur der Rückgriff auf Mobilfunk- oder gar Satellitennetze. So verschicken manche Sensoren SMS. Dazu müssen sie aber entweder eine ergiebige Energiequelle anzapfen oder sich auf sehr seltene Übertragungen beschränken.

Vom alten Hut zum Trend

Den Sprung von der Nischentechnik zum Massenprodukt hat Energy Harvesting bereits im Fahrwasser der LEDs geschafft. Immerhin zieren sonnengespeiste Leuchten gefühlt jeden zweiten Vorgarten. Doch die richtig spannenden Anwendungen dieses uralten Prinzips stehen noch vor der Tür: So macht Energy Harvesting drahtlose Lichtschalter, Bewegungsmelder und Heizungsthermostate praxistauglich. Schließlich will keine Wohnungsbaugesellschaft Heerscharen von Batteriewechselmeistern engagieren. Derzeit erweitern Elektrofirmen wie Eltako ihre Produkte in diese Richtung und damit dürften sie auch demnächst in den Baumärkten Einzug halten. Energieautarke Heizungsventile führen in diesen Monaten gleich zwei Firmen auf dem deutschen Markt ein.

Auch im industriellen Umfeld liegt (noch) viel Optimierungspotenzial, weil batteriebetriebene Sensoren zu wartungsintensiv sind. Patienten mit Herzschrittmachern und anderen Implantaten müssten zum Batteriewechsel nicht mehr unters Messer, wenn es gelänge, die benötigte Energie vom menschlichen Körper zu ernten. (bbe)