Autarke Energieversorgung Wie Energy Harvesting Systeme flexibel formbar werden

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Das Fraunhofer LBF hat neuartige Energy Harvesting Systeme konzipiert. Piezoelektrete erzeugen hierbei als flexibel formbare Wandlermaterialien kleine Mengen elektrischer Energie aus Vibrationen und Temperaturunterschieden. Flächige Sensornetzwerke können so autark mit Strom versorgt werden.

Mit steigender Digitalisierung, steigt auch der Bedarf an energieautarken Sensorsystemen, die eine kontinuierliche und zuverlässige Datenerfassung gewährleisten. Konventionell werden Batterien und Akkumulatoren als Energiespeicher für Sensoren genutzt. Jedoch unterliegen diese Arten von Energiespeichern diversen Einschränkungen, beispielsweise begrenzte Lebensdauer und ungenügende Speicherkapazität. Regelmäßiges Wechseln und Aufladen kostet Zeit und Geld.

Perspektivisch können Energy Harvesting Systeme für die Versorgung von Sensoren dienen, die an schwer zugänglichen Orten installiert sind oder als großflächig verteiltes Sensornetzwerk eingesetzt werden. Aber auch für Gesundheits-Tracker, die implantiert oder in Form von Wearables nah am Körper getragen werden, und ein zuverlässiges, engmaschiges Monitoring gewährleisten müssen. Energy Harvesting macht Kabel zur Stromversorgung oder das Nachladen von Batterien in mobilen Geräten überflüssig. Die Technologie nutzt Vibrationen und Temperaturunterschiede aus der Umgebung zur Energieerzeugung, um kleine elektronische Verbraucher autark zu versorgen.

Energy Harvesting Systeme auf Basis von Piezoelektreten

Energy Harvesting Systeme, die auf dem piezoelektrischen Effekt basieren, sind eine vielversprechende Lösung für die Implementierung von energieautarken Systemen. Konventionelle Wandlermaterialien wie die ferroelektrische Keramik PZT oder der ferroelektrische Kunststoff PVDF sind jedoch aufgrund ihrer Materialeigenschaften sowie unzureichender Effizienz nur bedingt geeignet. Forschende aus dem Fraunhofer LBF haben nun auf Basis von Piezoelektreten neuartige Energy Harvesting Systeme konzipiert. Durch die flexible Formbarkeit, die geringe Flächendichte und die daraus resultierende geringe Masse sind Piezoelektrete vorteilhaft, um in Textilien integriert zu werden und gleichzeitig den Tragekomfort nicht zu beeinträchtigen. Weiterhin können diese Werkstoffe in gekrümmte oder gewinkelte Strukturen integriert werden, um diese zu funktionalisieren. Auch Anwendungen aus dem Bereich des Leichtbaus, z. B. schwingungsbasiertes Energy Harvesting, sind interessant, wenn komplexe Strukturen funktionalisiert werden sollen.

Neuartiges System ist vielseitig einsetzbar

Von den Vorteilen der Energy Harvesting Technologie auf Basis von Piezoelektreten als Wandlermaterialien können Hersteller wie End-Anwender von drahtlosen Sensoren profitieren, die bislang ihre Betriebsenergie über konventionelle Energiespeicher bereitgestellt haben. Laut Fraunhofer LBF ist für energieautarke Sensorlösungen die Entwicklung eines „plug-and-forget“ Gerätes besonders aussichtsreich, um die steigenden IoT-Anforderungen zu erfüllen. In Hinsicht auf die Implementierung von Smart Wearables könne durch den Einsatz von Piezoelektreten der Tragekomfort und die Akzeptanz verbessert werden. Ein besonderer Mehrwert liege auch im Sektor für Transport und Verkehr, weil Piezoelektrete im Zuge der Funktionalisierung gleichzeitig zur Reduktion von Gewicht und somit zur Einsparung von Treibstoffen dienen können.

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