Energy Harvesting
Was ist Energy Harvesting?
Unter Energy Harvesting versteht man die Gewinnung von kleinen Mengen elektrischer Energie aus Quellen in der Umgebung. Dazu werden beispielsweise die Umgebungstemperatur oder Vibrationen genutzt und diese primären Energieformen (Temperaturunterschied, Piezoeffekt usw.) durch geeignete Umformer in elektrische Energie gewandelt. Neben der direkten Nutzung von Energiequellen in der Umgebung hat das Energy Harvesting zusätzlich den Vorteil, dass es nicht zentral organisiert ist, sondern an Ort und Stelle eine Energiequelle anzapft. Natürlich werden durch dieses Verfahren keine Energiemengen “geerntet”, welche für das Betreiben von grossen elektronischen Maschinen ausreichen. Es ist jedoch möglich, durch Energy Harvesting genügend Strom zu erzeugen, um damit Smartphones nachzuladen, kleine Taschenlampen zu betreiben oder autarke Sensoreinheiten mit Strom zu versorgen.
Neben den technischen Möglichkeiten des Energy Harvesting besteht auch ein gesellschaftlicher bzw. sozialer Aspekt, welcher dieses Thema für Interaction Designer relevant macht. Wenn wir in der Lage sind, kleine Mengen an Energie zu ernten, dann müssen Konzepte entwickelt werden, wie diese Energie sinnvoll eingesetzt werden kann. Das dezentrale sammeln der Energie bedingt zusätzlich, dass wir darüber nachdenken, wie sie sich eventuell dennoch zentral, d.h. gemeinschaftlich nutzen lässt.
Zunächst aber ein Überblick über die gebräuchlichsten Effekte, welche sich für das Energy Harvesting nutzen lassen.
1. Piezoelektrischer Effekt
Das Wort Piezo kommt aus dem Altgriechischen und bedeutet so viel wie drücken oder pressen. Dies beschreibt die Wirkungsweise dieses Effektes schon sehr deutlich. Durch das Zusammenpressen eines piezoelektrischen Materials (vornehmlich Kristalle) werden die darin enthaltenen Elementarzellen zusammengeführt und die aufsummierte Spannung verändert sich.
2. Thermoelektrischer Effekt
Die gängigste Form der Thermoelektrizität ist der sog. Seebeck-Effekt. Gemäss diesem entstehen in einem Schaltkreis, bestehend aus zwei verschiedenen Leitern Spannung, wenn diese eine bestimmte Temperaturdifferenz aufweisen.
3. Photoelektrischer Effekt
Von einem photoelektrischen Effekt wir beispielsweise bei Solarzellen gesprochen. Diese absorbieren Umgebungslicht in einem Halbleiter und erzeugen so eine Spannung.
4. Elektromagnetische Induktion
Bei der elektromagnetischen Induktion wird mechanische oder auch kinetische Energie in Strom verwandelt. Dazu werden Magnete eingesetzt, welche sich an einer Spule vorbei bewegen.
5. Weitere Effekte
Neben den oben genannten Effekten gibt es weitere Effekte, welche beim Energy Harvesting zur Anwendung kommen. Dazu gehören beispielsweise das gewinnen von Energie auf Radiowellen oder die Nutzung von Osmose.
Energy Harvesting System
Jedes Energy Harvesting System folgt dem gleichen Grundaufbau. Dabei wird die Energiequelle gegebenenfalls durch einen Gleichrichter von Wechsel- in Gleichstrom verwandelt. Dieser Gleichstrom wird typischerweise in einem Kondensator gespeichert und durch einen Spannungsregler auf die gewünschte Ausgangsspannung gebracht.
Piezoelektrische Energiegewinnung
Für die detaillierte Erklärung des Effektes kann folgender Wikipedia Eintrag herangezogen werden. Im wesentlichen macht man sich hier die Stauchung und Dehnung eines Materials (Piezo-Kristall) zu eigen. Für die Energiegewinnung und Speicherung muss ein Gleichrichter eingesetzt werden, da die generierte Ausgangsspannung eine Wechselspannung ist. Beispiele für den Einsatz von Piezo-Kristallen für die Energieerzeugung reichen von Schuhen, welche durch das Laufen Energie gewinnen, bis hin zu passiven Systemen, welche zum Beispiel an Schienen befestigt werden können und so Energie aus der Vibration der Gleise gewinnen. Neuere Anwendungen zeigen, wie der piezoelektrische Effekt auch für die Spannungsversorgung von Implantaten eingesetzt werden kann.
Thermoelektrische Energiegewinnung
Auch für diese Art der Energiegewinnung sei folgender Wikipedia Eintrag empfohlen. Zusammengefasst wird bei der Thermoelektrizität eine Temperaturdifferenz genutzt um diese in elektrischen Strom umzuwandeln. Die resultierende Spannung ist eine Gleichspannung und muss deshalb nicht mit einem Gleichrichter gerichtet werden. Der Einsatzbereich für thermoelektrische Systeme lässt sich auf körpernahe Objekte (Wearables) oder andere Anwendungen, bei denen per se eine Abwärme entsteht, eingrenzen.
Photoelektrische Energiegewinnung
Die photoelektrische Energiegewinnung – Wikipedia Eintrag – ist uns am besten aus dem Alltag bekannt. Sie wird schon heute grossflächig eingesetzt, findet sich aber auch in Form von Ladegeräten für mobile Geräte. Diese Form der Energiegewinnung nutzt die Energie aus dem Umgebungslicht um daraus eine elektrische Gleichspannung zu generieren. Im Gegensatz zu den anderen Arten der Energiegewinnung ist die photoelektrische Energiegewinnung relativ passiv.
Induktive Energiegewinnung
Die induktive Energiegewinnung – Wikipedia Eintrag – kann in verschiedenen Formen auftreten. Sie erzeugt fast immer eine Wechselspannung und sollte daher gleichgerichtet werden. Prinzipiell nutzt die induktive Energiegewinnung den Effekt, dass eine Spule und ein Magnet eine Wechselwirkung haben und dadurch elektrische Energie erzeugen, wenn sie relativ zueinander bewegt werden. Diesen Effekt kennen wir zum Beispiel aus dem Dynamo am Velo oder von Generatoren zum Beispiel in Windkraftanlagen. Daneben existiert die Möglichkeit mittels Induktion Spannungen berührungslos zu “übertragen”. Diesen Effekt kennen wir aus der elektrischen Zahnbürste oder aus Identifikationssystemen wie zum Beipsiel RFiD.