Energy Harvesting: Energie fast aus dem Nichts «ernten»

Mittels Energy Harvesting kann moderne Mikroelektronik heute ganz ohne Batterien auskommen. Die ZHAW School of Engineering erforscht unter anderem, wie sich solche energieautarken Systeme kostengünstiger herstellen lassen. Eine innovative Lösung setzt nun auf LEDs.

Unter Energy Harvesting versteht man Verfahren, um aus der Umgebung Energie zu beziehen. Diese wird in elektrischen Strom umgewandelt und ermöglicht so den energieautarken Betrieb von Mikroelektronik. Gängige Anwendungen nutzen vor allem Licht, Temperaturdifferenzen oder Kinetik als Energiequellen. Das System sammelt die Energie aus der Umgebung gewissermassen ein, um sie dann einzusetzen, wenn genügend vorhanden ist. «Energy Harvesting ist vergleichbar mit einem Eimer, den man unter einen tropfenden Wasserhahn stellt», erklärt ZHAW-Dozent Marcel Meli. «Wenn der Eimer voll ist, haben wir Strom – und unserem System reicht ein sehr kleiner Eimer.»

Strom ohne Batterie

An der ZHAW School of Engineering forscht Marcel Meli mit seinem Team seit Jahren im Bereich Energy Harvesting. Daraus sind bereits Produkte hervorgegangen, die heute auf dem Markt erhältlich sind. «Beispielsweise haben wir einen Garagentoröffner entwickelt, bei dem die benötigte Energie zur Signalübertragung durch den blossen Tastendruck gewonnen wird», so Marcel Meli. «Auch Anwendungen mit Sonnenenergie haben wir bereits realisiert, allerdings mit Solarzellen kleiner als im Taschenrechner.» Aber verglichen mit dem herkömmlichen Batteriebetrieb ist Energy Harvesting immer noch teuer. Das liegt unter anderem an den Stückzahlen in der Produktion der Komponenten, wie Marcel Meli erklärt: «Batterien können heute extrem günstig hergestellt werden. Um hingegen Energie aus der Umgebung zu gewinnen, braucht es Harvester und komplexe Elektronik, die noch nicht in grossen Mengen hergestellt werden.»

LEDs als günstige Solarzellen

Für die Forschenden stellte sich die Frage, wie sie die Energie mit möglichst günstigen Komponenten einfangen können. «Statt Solarzellen setzen wir in diesem Projekt LEDs ein, um Energie aus Licht zu gewinnen», so Marcel Meli. «Denn LEDs können nicht nur selber leuchten, sondern auch Energie aufnehmen, wie es sonst Solarzellen tun.» Der Clou: LEDs werden heute bereits in Massen gefertigt und sind darum sehr günstig in der Anschaffung. Mit dem LED-System hat das Team einen batterielosen Temperatursensor entwickelt. Sobald die LEDs genügend Energie aus Licht aufgenommen haben, startet die Anwendung. Die aktuelle Temperatur wird gemessen und der ermittelte Wert an das Smartphone gesendet. Danach geht der Vorgang wieder von vorne los. Bei direkter Sonneneinstrahlung benötigt die LED-Lösung dafür rund eine Minute, bei künstlicher Beleuchtung beträgt der Abstand zwischen zwei Messungen gut zehn Minuten.

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