Interviewer:
Hallo Hedy, Hallo Hans-Peter. Wir wollen heute über die dunkle Seite der IoT Sensorik sprechen, wo Milliarden von Geräten mit problematischen Werkstoffen aufgebaut werden und durch die hohe Zahl an Geräten ein beträchtlicher Energieverbrauch mit einhergeht.
Hedy:
In unsere modernen Welt wollen wir nicht ohne unsere kleinen Helfer um uns herum auskommen. Zu praktisch sind all die Sensoren und Tools die uns begleiten, unterstützen oder einfach praktisch den Alltag erleichtern. Doch all die kleinen Freunde brauchen Energie und die muss zur Verfügung gestellt und in der Regel auch zwischengespeichert werden.
Hans-Peter:
Wir sprechen von sogenannten IoT Devices also Geräten und Sensoren die man sich auch als Sinne der Cloudsysteme und Datenlieferant für AI Systeme vorstellen kann. Es gibt eine Vielzahl von Schätzungen wie viele von diesen Geräten es wohl bis zum Jahr 2030 geben wird. Eines ist klar es sind jetzt schon Milliarden von Geräten und sie werden rasend schnell mehr.
Hedy:
Ja, schon jetzt sind über 10 Milliarden Geräte mit dem Internet verbunden und alle brauchen Stromquellen. Eine nicht wiederaufladbare Batterie ist oftmals die günstigste Energiequelle und darum in Designs gerne gesehen. Die Batterien verbrauchen sich und müssen nach ihrer Lebenszeit getauscht werden und gesammelt.
Schätzungen zu folge müssen so jeden Tag rund 50 Millionen Zellen aus Geräten und Sensoren entsorgt werden. Ein erheblicher Teil dieser Batterien stellt neben den verbrauchten Ressourcen aufgrund ihrer schädlichen Materialien eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar.
Interviewer:
Gibt es da nicht andere Möglichkeiten Geräte zu versorgen, die weniger umweltschädlich und ressourcenverbrauchend sind? Oder müssen wir auf unsere nützlichen Helfer verzichten?
Hans-Peter:
Findige Unternehmen aus aller Welt beschäftigen sich mit der Problematik der autarken Energieversorgung dieser Geräte und Sensoren. Ein konkretes Unternehmen, das sich dem Problem der Speicherung von Energie angenommen hat, ist LIGNA Energy https://lignaenergy.se/ aus Schweden. Es hat sich darauf spezialisiert Stromspeicher herzustellen, die als Ausgangsmaterial Holz haben – ja sowas ist möglich. Organisches Polymer wie Lignin ersetzt Lithium in einer Zelle, das ist eine spannende Entwicklung wie ich finde.
Hedy:
Genau genommen sprechen wir an der Stelle von nachhaltigeren Superkondensatoren. Besonders gut eignen sich diese Stromspeicher für IoT-Geräte die Energy aus der Umgebung also mittels Harvesting aufnehmen.
Hans-Peter:
Gut zu wissen ist, dass das physikalische Prinzip, auf denen Superkondensatoren und Akkus basieren unterschiedlich ist. Hier sind die wichtigsten Unterschiede vereinfacht kurz zusammengefasst:
1. Superkondensatoren:
Superkondensatoren speichern Energie durch die Trennung von Ladungen an der Grenzfläche zwischen Elektroden und Elektrolyt. Sie bestehen aus zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Beim Laden werden positive Ionen an einer Elektrode und negative Ionen an der anderen Elektrode gesammelt. Beim Entladen werden diese Ionen wieder freigesetzt, wodurch Energie abgegeben wird.
2. Akkus:
Akkus speichern Energie durch elektrochemische Reaktionen, die in den Elektroden stattfinden. Sie bestehen aus einer Anode und einer Kathode, die durch einen Elektrolyten verbunden sind. Beim Laden werden Elektronen von der Anode zur Kathode übertragen, wodurch Energie gespeichert wird. Beim Entladen werden die Elektronen von der Kathode zur Anode übertragen, wodurch Energie freigesetzt wird.
Insgesamt basieren Superkondensatoren auf der Trennung von Ladungen an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt, während Akkus auf elektrochemischen Reaktionen in den Elektroden basieren.
Interviewer:
Was sind die Unterschiede aus Anwendungssicht? Wie unterscheiden sich Superkondensatoren von Akkus und warum sind gerade sie für IoT Geräte interessant?
Hedy:
Superkondensatoren und Akkus sind beide Energiespeichertechnologien, jedoch gibt es einige wichtige Unterschiede zwischen den beiden:
1. Lade- und Entladezeiten: Superkondensatoren können viel schneller geladen und entladen werden als Akkus. Dies macht sie ideal für Anwendungen, bei denen schnelle Energieabgabe erforderlich ist.
2. Lebensdauer: Superkondensatoren haben eine deutlich längere Lebensdauer als Akkus. Sie können hunderttausende von Lade- und Entladezyklen durchlaufen, während Akkus in der Regel nur einige tausend Zyklen halten.
3. Energiedichte: Akkus haben eine höhere Energiedichte als Superkondensatoren, was bedeutet, dass sie mehr Energie pro Volumen oder Gewicht speichern können. Dies macht Akkus besser geeignet für Anwendungen, bei denen eine hohe Energiedichte erforderlich ist.
4. Kosten: Superkondensatoren sind in der Regel teurer als Akkus, was sie weniger wirtschaftlich macht für Anwendungen, bei denen große Mengen an Energie gespeichert werden müssen.
Insgesamt sind Superkondensatoren besser geeignet für Anwendungen, bei denen schnelle Energieabgabe und eine lange Lebensdauer wichtig sind, während Akkus besser geeignet sind für Anwendungen, bei denen eine hohe Energiedichte erforderlich ist.
Interviewer:
Jetzt haben wir viel über die Speicherung von Energie im Kontext von IoT Geräten gesprochen. Woher nehmen die Geräte die Energie, wenn sie nicht mit Primärbatterien versorgt werden?
Hans-Peter:
Hedy hat zuvor das Prinzip des Energy Harvesting angesprochen. Die Idee dabei ist das man die Energie aus der unmittelbaren Umgebung des Geräts entnimmt. Jeder kennt Tischtaschenrechner mit den kleinen Solarzellen die gerade genug Energie liefern können, um den Rechner zu versorgen.
Nachdem von „außen“ keine Energie an die Sensoren und Geräte geliefert wird spricht man auch von „Zero Power“ Technologie. Das ist insofern interessant als das damit der Gesamtverbrauch den Milliarden derartige Geräte im Stromnetz verursachen genau Null also „Zero“ ist!
Aber neben der Solar Zelle die auch als Photovoltaik Zelle bezeichnet wird gibt es noch viele weitere Möglichkeiten um an Energie aus der Umgebung zu kommen. Bei einigen kann man sich das leichter vorstellen andere klingen schon recht nach Science-Fiction:
- Solar Zellen
- Magnetfelder
- Elektromagnetische Strahlung (Funk)
- Beschleunigung oder Bewegung
- Schall und Vibration
- Temperaturdifferenz (Seebeck Effekt)
- Strömung von Gasen (Luft) und Flüssigkeiten
- Piezoelektrische Effekte
- Elektrostatische Aufladung
- Potenzielle Energie
Im Grunde finden sich hinter allem, was in Bewegung ist oder strahlt eine Energiequelle.
Hedy:
Wobei die Art die man wählt einerseits von der erforderlichen Energie abhängt, welche man benötigt um zum Beispiel einen Messwert zu erfassen, zu verarbeiten und ihn dann per Funk zu versenden, und andererseits von der durch die Anwendung möglichen Umgebungsbedingungen. Wenn ein Sensor im Keller eingebaut werden soll, dann ist eine Solarzelle nicht die richtige Form.
Ein schönes Beispiel ist die Energie aus elektromagnetischer Strahlung zu beziehen. Das hört sich aufs erste sehr unglaublich an. Um zu verdeutlichen, wie es in unserer Umgebung in der Regel aussieht habe ich mal ein Video aus YouTube ausgegraben:
In dem Video wird verdeutlicht wie viel „Energie“ schon in unserer Umgebung darauf wartet geerntet zu werden.
Auch hier gibt es sehr pfiffige Unternehmen, die es sich an die Fahnen geheftet haben, diese Energie zu nutzen. Eine davon ist Haila aus Kanada https://www.haila.io/. Dieses Unternehmen heftet sich an WiFi Funkpakete an.
Hans-Peter
Also die Idee ist das aus der RFID Technik bekannte Backscattering für WiFi Funkpakete anzuwenden. Backscatter nennt man die Technik bei der ein elektromagnetisches Hilfsfeld die Energie für RFID Tags zur Verfügung stellt.
Die Herausforderung der sich die Firma Haila stellt ist, dass sie die Energie aus der WiFi Kommunikation entnimmt, damit Sensorknoten versorgt, um zu messen und auch gleich die Daten wieder per Funk abzusetzen. Erste Produkte und Prototypen sind bereits am Markt verfügbar.
Interviewer:
Das klingt alles sehr fern. Gibt es denn auch Unternehmen, die mit derartigen Konzepten schon am Markt sind?
Hans-Peter
Ein bekanntes Unternehmen ist Wiliot aus Israel. https://www.wiliot.com/. Es ist mit hohen Investments ausgestattet und hat sich in den letzten Jahren gut etabliert, mit Aufklebern die weit unter einem Euro pro Stück liegen und ist damit schon im Volumenmarkt angekommen. Das Prinzip auch dort, ist die Energieversorgung aus dem elektromagnetischen Feld (Funkfeld) zu gewinnen und nach der Verarbeitung auf Bluetooth die Information zu senden.
Bild:
Hedy:
Wie schon bei Haila ist auch bei Wiliot die Technologiebasis auf Telekommunikationsstandards – Bluetooth, 5G Advanced und 802.11 AMP aufgebaut. Diese Standards werden immer wichtiger, um eine klare Positionierung zu erreichen.
Interviewer:
Welche Firmen sollte man in dem Kontext sonst noch kennen?
Hans-Peter
Da gibt es eine ganze Reihe namhafter Hersteller wie auch Start Up‘s. Bei allen Sensoren gibt es immer eine Komponente, die fix am Start ist. Es handelt sich um den eingesetzten Microcontroller – dem Herz der Systeme. Ein spannendes Start Up ist Onio aus Schweden https://www.onio.com/.
Dieses Unternehmen nimmt sich klar die Vision von „Zero Power“ als Ziel vor. Bei diesem Ansatz geht es um einen Microcontroller, der für einfache Sensorik geeignet ist, dort wo keine großen Rechenleistungen oder viel Speicher erforderlich sind. Es handelt sich um eine Lösung, wo die Optimierung auf den Verbrauch von Energie und sogar Komponenten zur Gewinnung in den Chip hinein verlegt wurden. So kann das Chip beispielsweise direkt aus elektromagnetischen Feldern Energie beziehen.
Hedy:
Ich kann noch das Unternehmen Amiq aus Texas USA https://ambiq.com/ anführen das Microcontroller im Programm hat, welche sich mit Batterie versorgen lassen und auf das Thema „AI on the Edge“ fokussiert sind.
Den eines ist auch klar, je mehr komplexe Operationen direkt am Sensor oder am IoT Gerät bearbeitet werden können, umso weniger Energie wird in der Folge für den Informationstransport benötigt. So können mit derartigen Systemen direkt am Sensor Audiosignale oder Bilder und Videos mit KI verarbeitet werden. Das ist auch sichtlich Datenschutz eine gute Nachricht, da nicht Bilder oder Videosequenzen den Erfassungsort verlassen müssen, sondern nur die Information, die erfasst werden sollte. Am Beispiel von Anwesenheitssensoren oder Personenzählern werden nur die Anzahl der Personen nicht aber deren Identitäten erfasst und übertragen.
Groß geworden ist das Unternehmen übrigens mit Wearables also Geräten die als Armband oder Smart Watch getragen werden.
Hans-Peter
Ich finde das sind gute Nachrichten, die uns zeigen das eine moderne lebenswerte Welt möglich ist, ohne dass wir auf den Schutz der Privatsphäre verzichten müssen.
Interviewer:
Danke für die Übersicht. Wir sind heute in verschiedene Bereiche eingestiegen die als gemeinsamen Nenner die Machbarkeit von nachhaltigen Lösungen haben. Schon heute sind Lösungen umsetzbar die ohne problematische Rohstoffe auskommen, aber auch den Verbrauch von Energie zum Teil bis auf Null senken. Auch Lösungen, welche die Privatsphäre der Menschen schützen können mit den vorgestellten Technologien bereits heute umgesetzt werden.
Inhaltsquellen und Kontakte:
#1 Allgemeine abfragen auf ChatGPT
#2 Unternehmenswebseite von Ligna Energy https://lignaenergy.se/;
Videomaterial: https://youtu.be/i7dX_rTGv74?si=9JEQbz84MStUB1PR
#3 Videomaterial zu elektromagnetischer Strahlung online gestellt von www.Onio.com https://youtu.be/pa_q09-Mzhs?si=vgwn_uYxTmzYbut3
#4 Haila aus Kanada https://www.haila.io/
#5 Wiliot aus Israel. https://www.wiliot.com/
#6 Onio aus Schweden https://www.onio.com/; https://youtu.be/gOIkYwJJ8Ic?si=gMx8Vfp95ASoxNLQ