Stromversorgung von Sensoren durch Vibrationen

EU-Projekt SYMPHONY

Die JOANNEUM RESEARCH koordiniert das EU-Projekt SYMPHONY (Smart Hybrid Multimodal Printed Harvesting of Energy) mit dem Ziel, eine Energieversorgungsplattform zur Stromversorgung drahtloser Sensorknoten zu entwickeln. Diese Sensorknoten befinden sich oft an schwer Orten, was eine Verkabelung unmöglich macht. Der Fokus liegt dabei nicht nur auf Möglichkeiten autarker Energiesysteme, sondern auch auf deren Nachhaltigkeit.

Im Alltage sind wir von einer Vielzahl an Sensoren umgeben. Diese Sensoren befinden sich oft im Stillen und Versteckten, wie beispielsweise in den Wänden von Häusern, der Karosserie von Fahrzeugen oder in Windturbinen. Das wirft die Frage auf, wie solche drahtlosen und unzugänglich verbauten Sensoren nachhaltig mit Energie versorgt werden können.

Wieviel Energie braucht eigentlich so ein kleiner, verbauter Sensor, der uns zum Beispiel Infos über die Zimmertemperatur gibt? „Ein Sensor braucht 0,1 bis 10 Milliwatt bei dauerhafter drahtloser Übertragung“, erklärt Jonas Groten, Experte für piezoelektrisches Energy Harvesting bei MATERIALS, dem Institut für Oberflächentechnologien und Photonik der JOANNEUM RESEARCH.

 

Umwandlung von kinetischer in elektrische Energie

„Wir haben uns gefragt, wie man am effizientesten die dauerhafte Energieversorgung an versteckten Orten gewährleisten kann. Eine Möglichkeit ist die Umwandlung von kinetischer Energie wie Vibration oder Rotation in elektrische Energie. Also nicht elektrische wird zu elektrischer Energie und kann dann direkt an Ort und Stelle ‚geerntet‘ werden. Das entspricht dem System des Energy Harvesting und funktioniert in vielen Anwendungen„, so Groten weiter. Die bekannteste und mittlerweile schon alte Technologie ist die der Solarzellen. Aber das funktioniert eben nur mit Licht. Eine sehr attraktive Alternative stellen Vibrationen dar.

Man kann die Bewegungsenergie zum Beispiel von Maschinen, die in Produktionslinien „wackeln“, nutzen. Dafür braucht man ein Material mit elektromechanischen Eigenschaften als „Umwandler“. Häufig werden hier Bleiverbindungen eingesetzt, die jedoch sehr toxisch sind. „Wir verwenden deswegen ein ‚bleifreies‘ Polymer mit piezoeleketrischen Eigenschaften“, erklärt Groten. Und weiter: „Dieses Polymer hat mehrere Vorteile: Es ist nicht giftig, es ist günstig und es ist großflächig druckbar. Wir beschäftigen uns in unserer Forschung damit, wie wir dieses Material weiter optimieren können.“

 

Anwendungsbeispiele

Im Rahmen von SYMPHONY werden nun drei Anwendungsbeispiele des energieumwandelnden Polymers untersucht: die Zustandsüberwachung in einer Windkraftanlage, die energieeffiziente Raumheizung/-kühlung eines smarten Hauses und die Druckkontrolle von Schläuchen im (E-)Fahrrad.

Wie funktioniert nun die Energieumwandlung im Polymer genau? Bei MATERIALS beschäftigen sich die Forscherinnen und Forscher seit mehr als zehn Jahren mit dem piezoelektrischen Polymer PVDF. Unter bestimmten Bedingungen bildet dieses Polymer eine Struktur, in der sich kleinste molekulare Dipole über einen großen Bereich aufsummieren. Man spricht dann von einer remanenten Polarisation. Wird dieses Polymer nun verformt, ändert sich diese Polarisation, und dadurch auch die Anzahl der elektrischen Ladungen in auf das Polymer aufgebrachten Elektroden. Verbindet man diese Elektroden wird bei mechanischer Verformung Strom generiert, der für die Energiegewinnung eingesetzt wird.

Energy Harvesting bedeutet einen wichtigen Beitrag für den Kampf gegen den Klimawandel. „Wenn wir es schaffen, in den Bereichen Mobilität, Energiegewinnung sowie Wohnen und Heizen – also die großen CO2-Schleudern – Energie einsparen zu können, ist das ein wichtiger Schritt in Richtung Klimawende“, fasst Jonas Groten zusammen.

Kontakt

Jonas Groten
JOANNEUM RESEARCH MATERIALS – Institut für Oberflächentechnologien und Photonik