Innovationsprojekte energieoptimierte Systeme

Innovationsprojekte energieoptimierte Systeme

Nachhaltigkeit durch Optimierung des Energieverbrauches - Net-Zero ist das Ziel

Viele intelligente Geräte erleichtern uns schon heute unser Leben. Sie sind mobil, flexibel und einfach nachrüstbar. Und es werden immer mehr. Die Kundenzufriedenheit bei der Nutzung solcher Geräte hängt immer mehr von Aspekten der Nachhaltigkeit ab. Die Batterie- und Akkulaufzeiten sollen maximal sein und das bei möglichst niedrigem Wartungsaufwand. Das hier gezeigte Innovationsprojekt beinhaltet energieoptimierte Systeme, sie nutzen die verschiedenen Technologien und Methoden zur Optimierung des Energiebedarfs bis hin zur völligen Autarkie.

Das Innovationsprojekt „energieoptimierte Systeme“ ist interdisziplinär und deckt damit mehrere Teile des Leistungsspektrum von Smart Mechatronics ab. Es zeigt damit, wie durch strukturierte Entwicklung aus einer Idee ein intelligentes und nachhaltiges Produkt entstehen kann.

Energy Harvesting heißt wörtlich übersetzt „Energie-Ernten“ und beschreibt die Gewinnung kleiner Mengen elektrischer Energie aus der Umgebung. Die verschiedenen Technologien ernten Licht, Wärme, Bewegung und Vibrationen und decken somit viele verschiedene Anwendungsszenarien ab.

energieoptimierte Systementwicklung

Das System

Der Energieverbrauch einer Elektronik hängt von vielen Faktoren ab. Dabei ist es wichtig das energieoptimierte System immer als Ganzes zu betrachten. Die entwickelte modulare Demonstratorreihe hebt die verschiedenen Einflussfaktoren in den Komponenten einer Elektronik hervor. Zudem geben die einzelnen Demonstratoren Einblicke in Technologien und Lösungen zur Optimierung des Energieverbrauchs, sowie zur Verlängerung der Batterie- und Akkulaufzeit, wie sie in der energieoptimierten Systementwicklung eingesetzt werden.

Einen Überblick erhalten Sie in unserem Video zur Demonstrator Reihe:

Verbraucher

Mit Hilfe des modularen Aufbaus der Demonstrator Reihe können in kurzer Zeit mehrere Technologiekombinationen getestet und analysiert werden. Die Verbraucher-Elektronik ist ein energieoptimiertes System und bildet das Kernstück der Demonstrator Reihe. Sie analysiert die erzeugte, gespeicherte und verbrauchte Energie in den angeschlossenen Modulen und zeigt diese auf den Displays an.

Durch die Kombination unterschiedlicher Methoden der energieoptimierten Systementwicklung kann der Analyzer in einigen Konfigurationen völlig energieautark betrieben werden. Seinen Kern bildet ein Low Power ARM Controller von STM, welcher durch die verwendeten intelligenten Betriebsstrategien eine minimale Menge Energie verbraucht.

Batterie

Die Batterie ist zurzeit die verbreitetste Energiequelle für Low-Energy Devices. Sie bilden somit eine Referenz, an der alternative Energiequellen hinsichtlich Kosten, Laufzeit und Nachhaltigkeit gemessen werden.

Sie ist sehr günstig, muss aber regelmäßig ersetzt werden. Weder die Erzeugung noch die Entsorgung ist in einem nachhaltigen Prozess möglich. Aus diesen Gründen ist es immer das Ziel, den Austausch durch die Optimierung des Energieverbrauches so lange wie möglich hinauszuzögern. Dies ist mit den Methoden der energieoptimierten Systementwicklung, welche wir in unserem Whitepaper vorstellen, möglich.

Je nach Anwendungsgebiet kann Energy Harvesting eingesetzt werden, um die Batterielaufzeit wie ein Range-Extender zu verlängern oder komplett zu ersetzen.

Akkumulator

Akkumulatoren sind, ähnlich den Batterien, eine sehr verbreitete Energiequelle. Sie können im Gegensatz zu Batterien wieder aufgeladen werden und sind somit wiederverwendbar. Akkus bilden somit einen wichtigen Übergang zwischen den klassischen batteriebetriebenen Geräten und den nachhaltigen Geräten der Zukunft. Sie sind zudem ein wichtiger Bestandteil von energieoptimierten Systemen mit Energy Harvesting Ansätzen, bei welchen Sie schwankende Lasten und Hochenergiephasen abfangen.

Die Lebensdauer eines Akkus hängt nicht nur von den Umgebungsbedingungen ab, sondern auch stark von der Anzahl der Lade- und Entladezyklen. Ähnlich wie bei den Batterien verlängert ein energieoptimiertes Systemdesign hierbei die Zeit zwischen zwei Ladevorgängen und somit auch die Lebensdauer des Akkus.

Kondensator

Kondensatoren wurden in den vergangenen Jahren stetig weiterentwickelt, sodass nun Varianten existieren, welche die Aufgaben eines Akkus in manchen Systemen übernehmen können. Sie erlauben blitzschnelles Laden und Entladen bei einer, im Vergleich zu Akkus, deutlich längeren Lebensdauer. Speziell in energieoptimierten Systemen, welche stoßartig Energie erzeugen und verbrauchen, werden Kondensatoren bzw. Superkondensatoren benötigt. Eine mögliche Energiequelle ist beispielsweise ein Drehknopf mit angeschlossenem Energy Harvesting Generator. Dieser erzeugt in sehr kurzer Zeit, nämlich während der Drehung, sehr viel Leistung. Eine mögliche Last ist beispielsweise ein magnetischer Aktuator, welcher nur für eine sehr kurze Zeit sehr viel Leistung benötigt.

Solar Energie

Solarzellen gehören zu den Schlüsselelementen in der Energiewende und leisten somit einen entscheidenden Beitrag für eine nachhaltige Zukunft. Dieser Energy Harvesting Demonstrator wurde entwickelt, um zu zeigen, dass diese Technologie nicht nur unser Stromnetz speisen kann, sondern auch IoT-Devices und Sensor-Nodes als Beispiele von energieoptimierten Systemen. Zusammen mit einem Energiespeicher zur Überbrückung von Dunkelzeiten, erlauben Solarzellen gerade im Outdoor-Bereich, einen energieautarken Betrieb. Dem gegenüber steht der Indoor-Betrieb in Büroräumen und Fabrikhallen, in welchen meist weniger Lichtenergie verfügbar ist. In diesen Fällen kann diese Energy Harvesting Quelle als Range-Extender genutzt werden, um die Batterie- oder Akkulaufzeit eines Gerätes zu verlängern.

Thermische Energie

Jeder (Industrie-)Prozess ist verlustbehaftet und erzeugt durch diese Ineffizienz Abwärme. Solche Abwärme kann, zumindest in Teilen, wieder in elektrische Energie gewandelt werden. Hiermit können IoT-Devices und Sensor Nodes auch dort betreiben werden, wo keine direkte Stromversorgung verfügbar ist. So kann ein thermoelektrischer Generator beispielsweise Energie von heißen Rohren oder dem Abgasstrang im Auto ernten. Unsere Projektreferenz zeigt, dass auch alltägliche Quellen wie heißes Leitungswasser Energie mit sich führen, welche durch Energy Harvesting geerntet werden kann.

Bewegungsenergie - Vibration

Eine weit verbreitete Energiequelle für Energy Harvesting sind mechanische Schwingungen. So kann ein Vibrations-Harvester die Auf- und Abwärtsbewegung, eines beweglichen Gegenstandes, beispielsweise an Fahrrädern oder Autos, in nutzbare Energie umwandeln. Auch unbewegliche Gegenstände oder Anlagen, beispielsweise Industrieanlagen, sind ständig in Bewegung und können durch das Energy-Harvesting autarke IoT-Sensoren versorgen, welche für Predictive-Maintenance Anwendungen an jeder Oberfläche angebracht werden können. Aber auch die Bewegung des menschlichen Körpers kann ausreichen, um kleine energieoptimierte Systeme in beweglichen Gegenständen, beispielsweise in Uhren, zu betreiben.

Der Demonstrator zeigt zudem, dass der Harvester gleichzeitig als Sensor dienen kann. Es wird durch Bewegung Energie gesammelt und bei ausreichender Ladung ein Funkpaket gesendet. Die Anzahl an versendeten Funkpaketen ist somit äquivalent zur Bewegung des Sensor-Nodes und erlaubt beispielsweise das Tracking der Nutzungshäufigkeit von Assets.

Ansprechpartner und Standorte

Guido Stollt

Prof. Dr.-Ing. Guido Stollt

Geschäftsführer

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Stefan Slooten

Stefan Slooten

Senior Engineer im Team Electronic for IoT

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