Ressourceneffiziente Energiegewinnung durch Energy Harvesting

Energy Harvesting beschreibt die Gewinnung kleiner Mengen elektrischer Energie aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen zur Versorgung von mobilen Geräten mit geringem Energiebedarf. Die verwendeten Strukturen werden als Nanogeneratoren bezeichnet. Diese Technologie ermöglicht es, bei drahtlosen Systemen auf Kabel oder Batterien zu verzichten. Ein Energy Harvesting-System besteht aus verschiedenen Komponenten: Ein Energiewandler wandelt Umgebungsenergie in elektrische Energie um. Diese Energie wird in einem Speicher wie einer Batterie oder einem Kondensator zwischengespeichert. Die Einheit für das Power Management sorgt dafür, dass die gewonnene Energie effizient an das Endgerät weitergeleitet wird.

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen entwickelt innovative Lösungen zur ressourceneffizienten Energiegewinnung durch Energy Harvesting. Ziel ist es, externe Stromquellen oder Batterien, da wo es geht, zu ersetzen oder deren Größe zu reduzieren. Energy Harvesting eröffnet so Alternativen zur herkömmlichen Energieversorgung, insbesondere bei schwer zugänglichen Installationen, wo Wartung und Energieversorgung sonst kostenintensiv sein können.

Ein Anwendungsbereich dieser Innovation ist die Nutzung von Wärme- und Kältequellen zur Versorgung elektrischer Geräte mit Energie. Das thermoelektrische Energy Harvesting ermöglicht es, durch den Seebeck-Effekt elektrische Energie aus Temperaturdifferenzen zu gewinnen. Dabei erzeugt ein elektrischer Strom zwischen zwei Kontaktstellen unterschiedliche Temperaturen. Dieser Temperaturunterschied führt jedoch nur zu geringen Spannungen von wenigen Mikrovolt pro Grad. Das Fraunhofer IIS arbeitet daran, diese minimalen Spannungen durch innovative elektrische Schaltungstechnik nutzbar zu machen, um den Energiebedarf elektrischer Systeme zu senken, wobei bereits Entwicklungen mit nur 2 Grad Kelvin betrieben werden können.

Die Herausforderungen bei der Realisierung eines effizienten thermischen Harvesting-Systems sind vielfältig. Eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen Wärmequelle und thermoelektrischem Generator (TEG) sowie vom TEG zu Kühlkörper und Umgebung ist essenziell. Thermische Simulationen helfen, die optimale Konfiguration für den besten Wärmefluss zu bestimmen. Zudem ist eine elektrische Anpassung zwischen TEG und elektronischem Power Management notwendig. Hier können optimierte Spannungsregler und Techniken zur Anpassung des Punkts maximaler Leistungsabgabe (MPPT) zum Einsatz kommen. Für die Nutzung kleinster Energiemengen, wie sie beispielsweise am menschlichen Körper oder an Gebäuden vorhanden sind, werden Spannungs-Aufwärtswandler mit extrem geringer Startspannung verwendet. Ein hocheffizienter Laderegler ist schließlich erforderlich, um die gewonnene Energie in einem geeigneten Energiespeicher zu speichern. Ein multidisziplinärer Ansatz aus Materialwissenschaften, Physik und Elektrotechnik ist unverzichtbar, um eine energie- und kosteneffiziente Energieversorgung zu erreichen.