Drahtlose Verbindungen haben die Nutzung bestimmter Produkte an mehr Orten vereinfacht. Sicherheitskameras waren zwar schon lange über kabelgebundene Netzwerke verbunden, doch die drahtlose Technologie ermöglicht nun deren Installation an deutlich mehr Standorten. Die gesamte Branche der Objektverfolgung und Bewegungsdatenerfassung wäre ohne batteriebetriebene Funktechnologie undenkbar.
Einige Produkte, wie beispielsweise Türklingel-Kamera-Kombinationen, wären ohne drahtlose Verbindung und Batteriebetrieb nicht erfolgreich.
Batterienutzung:
Batterien stellen tragbare Energiequelle dar und haben sich daher als äußerst nützlich erwiesen. Im Laufe der Jahrzehnte wurden viele elektronische Produkte miniaturisiert und benötigen immer weniger Strom. Produkte, die früher mehrere relativ große D-Batterien benötigten, funktionieren heute problemlos mit AA- oder AAA-Batterien. Einige können mittlerweile sogar über längere Zeiträume mit Knopfzellen betrieben werden.
Viele dieser Produkte sind Teil des Internets der Dinge (IoT): Fitness-Tracker, Smart Speaker, GPS-Tracker, Verkehrsleitsysteme sowie die bereits erwähnten Kameras und Türklingeln.
Doch Batterien gehen irgendwann leer und müssen dann entsorgt werden: entweder recycelt oder im Hausmüll entsorgt.
Die Nachteile von Batterien:
Laut der US-Umweltschutzbehörde (EPA), die für die Überwachung von Feststoffabfällen und deren potenziellen Gefahren zuständig ist, werden in den USA jährlich rund 5 Milliarden Trockenbatterien verkauft. In Europa sind es laut verschiedenen Quellen bis zu 8 Milliarden pro Jahr. Daraus lässt sich schließen, dass jährlich mehrere Milliarden Trockenbatterien im Müll landen.
Fast alle Batterietypen enthalten potenziell giftige Stoffe, doch das Recycling von Batterien ist nicht immer einfach oder günstig, weshalb die weltweite Recyclingquote bestenfalls uneinheitlich ist. So wird beispielsweise geschätzt, dass in Europa nur die Hälfte der weggeworfenen Batterien recycelt wird. Das derzeitige Maß an Abfall und Umweltverschmutzung ist nicht tragbar.
Gleichzeitig werden weltweit immer mehr IoT-Geräte eingesetzt. Laut IoT Analytics waren 2022 bereits 14,4 Milliarden IoT-Geräte im Einsatz, und das Unternehmen rechnet damit, dass sich diese Zahl bis 2027 verdoppeln wird. Ob im privaten oder industriellen Bereich: Mit der zunehmenden Verbreitung von IoT-Geräten steigen auch die Kosten für deren Ersatz und der damit verbundene Aufwand. Einige der neuesten und ambitioniertesten IoT-Anwendungen schlagen den Einsatz großer Sensorarrays zur Steuerung von Aktivitäten in großem Umfang vor, von der Landwirtschaft bis zur industriellen Automatisierung.
Quelle: Phys.org
Energiegewinnung:
Viele IoT-Geräte sind Kandidaten für Batteriebetrieb, benötigen diesen aber möglicherweise gar nicht. Manche Sensoren benötigen lediglich die winzigen Energiemengen, die das Universum kostenlos bereitstellt.
In diesen Fällen ist Energiegewinnung eine attraktive Option. Das Grundprinzip besteht darin, Energie aus natürlichen Phänomenen – in manchen Fällen aus mehreren Energiequellen – zu gewinnen und in Strom umzuwandeln.
Solar- und Windenergie zählen per Definition zur Energiegewinnung. Beide können Megawatt erreichen, doch für IoT-Geräte am anderen Ende des Stromnetzes kann der Bedarf im Milliwatt- oder sogar Mikrowattbereich liegen. Daher kommen viele weitere physikalische Phänomene infrage.
Arten der Energiegewinnung mittels
Photovoltaik (PV): Photovoltaik ist zweifellos eine Option für IoT-Geräte mit extrem niedrigem Stromverbrauch. Klassische Photovoltaikzellen, wie sie auch in Solarmodulen verwendet werden, bleiben eine praktikable Lösung, aber es werden alternative Photovoltaik-Technologien entwickelt, darunter solche, die auf künstlich hergestellten Verbindungen basieren, welche die Photosynthese nachahmen.
Moderne Photovoltaikzellen weisen eine deutlich höhere Leistungsdichte auf und können sowohl im Freien als auch in Innenräumen zum Laden von Batterien oder Superkondensatoren eingesetzt werden.
Thermoelektrische Generatoren nutzen kleinste Temperaturunterschiede, um Mikrowatt aus nahezu jeder Quelle zu gewinnen – von Industriemaschinen bis hin zum menschlichen Körper. In manchen Anwendungen lässt sich auch die Energiequelle von Wechselstromvibrationen nutzen.
Piezoelektrische Materialien erzeugen Energie, wenn sie verformt werden. Anwendungen mit nahezu konstanter Bewegung, wie beispielsweise Kraftfahrzeuge, könnten von dieser Energiegewinnung profitieren. Viele führende Hersteller von Lichtschaltern für Smart Homes und Gebäude integrieren diese piezo-kinetische Energiegewinnung in ihre batterielosen, mobilen Lichtschalter.
Weitere Energiegewinnungstechnologien werden von Hightech-Startups eingesetzt, die elektrische und magnetische Induktion nutzen, um relativ starke elektrische Felder zu erzeugen und damit Sensoren und Funkgeräte an abgelegenen Standorten mit Strom zu versorgen.
Quelle: Übersicht über Energiegewinnungstechnologien für drahtlose Sensornetzwerke
Umgebungsenergie:
Hersteller von IoT-Geräten mit extrem niedrigem Stromverbrauch, die ohne Batterien auskommen sollen, setzen verstärkt auf Energiegewinnungstechnologien, unter anderem weil es keine Infrastruktur zur Stromversorgung dieser Geräte gibt.
Was wäre, wenn es so etwas gäbe? Was, wenn es etwas Ähnliches wie kabelloses Smartphone-Laden (z. B. Qi) gäbe, aber mit einer Reichweite von Metern statt Zentimetern? Die einfache Verfügbarkeit winziger Gleichrichterantennen (Rectennas) hat einige dazu angeregt, die Entwicklung standardisierter drahtloser Energieübertragungssysteme zu erforschen.
Mehrere Systeme befinden sich in der Entwicklung und basieren im Allgemeinen auf Funkübertragung unter 2,4 GHz. Aktuell sind industrielle Anwendungen für Fabrikautomatisierungsmaschinen, Lagertechnik, batterielose Asset-Tags und elektronische Regaletiketten am nächsten an der Marktreife, da diese Umgebungen die Installation von HF-Energieübertragungs-Gateways ermöglichen. Stellen Sie sich die Zukunft des Smart Homes vor, wenn alle Router und Gateways für Smart-Geräte auch HF-Energie übertragen würden. Der Markt könnte schon bald mit elektrischen Zahnbürsten, Schlüsselanhängern, Tastaturen, Kopfhörern, Computermäusen und vielem mehr überschwemmt werden.
Mit Blick auf
die Zukunft kann das IoT nicht im prognostizierten Tempo wachsen, wenn es weiterhin auf Batterien angewiesen ist. Viele Anwendungsfälle schöpfen das drahtlose Potenzial noch nicht voll aus: Experten auf diesem Gebiet verbessern zwar kontinuierlich drahtlose IoT-Batterien durch Partnerschaften, doch die grundlegende Energiequelle muss überdacht werden.
Da immer mehr Unternehmen und Regierungen Umweltanreize schaffen, ist der einzige Weg nach vorn, die Batterie, wie wir sie kennen, neu zu denken.
Autor: Tristan Cool, Produktmarketing-Manager – Industrie, Silicon Labs
