Strom aus Kunstlicht und Elektromagnetismus
Zwei neue Konzepte zur Energiegewinnung: Ein Start-up setzt Photovoltaikfolien ein, welche aus künstlichen Lichtquellen Strom an IoT-Geräte liefern. Eine Forschungsgruppe hat ausserdem ein neues Material entdeckt, mit dem elektromagnetisches Rauschen in elektrische Signale und Ströme umgewandelt werden kann für die Speisung batterieloser Elektrogeräte, Lichtquellen oder mechanische Antriebe.
Das Internet der Dinge (Internet of Things, kurz: IoT) wächst schnell – der damit verbundene Energieverbrauch ebenso. Milliarden von elektronischen Kleingeräten und Sensoren sind über das IoT verknüpft. Diese Geräte werden oft mit Einwegbatterien betrieben, die weder ökologisch noch wirtschaftlich sind.
Enerthing, ein von Energie 360° seit 2018 durch den Smart Energy Innovationsfonds unterstütztes Start-up, hat sich deswegen ein Ziel gesetzt: Das Internet der Dinge unabhängig machen von Einwegbatterien und den Energieverbrauch durch Sensoren effizient steuern. Wie das geht? Mit Photovoltaikfolien. Diese nutzen künstliche Lichtquellen, um Strom zu produzieren.
Das Potenzial von IoT ausschöpfen
«Vor Enerthing war ich im Management eines Hightech-Start-ups in England tätig. Dort wurden bereits neuartige Photovoltaikfolien entwickelt», erzählt Gründer und Geschäftsführer Michael Niggemann. 2016 hat er dann in Deutschland sein eigenes Start-up gegründet. Denn ihm war bewusst: Wenn die IoT-Welt so schnell wächst wie vorhergesagt, müssen Milliarden von Geräten entweder mit Einwegbatterien betrieben oder aufwändig verkabelt werden. Da dies weder wirtschaftlich noch nachhaltig ist, würde ein grosses Potenzial der Effizienzsteigerung durch IoT ungenutzt bleiben.
CO2-Sensor zur energieeffizienten Raumlüftung: Der Sensor misst die Luftqualität, die Temperatur, die Feuchtigkeit und den CO2-Wert. Er ist energieautark und ein integrierter Alarm weist durch Summen auf Grenzwertüberschreitungen hin.
Vibrationssensor zur frühzeitigen Warnung vor Ausfällen von Industriemaschinen: Auf einer Maschinenoberfläche liegend, weist die Zunahme der Vibration auf einen Verschleiss hin.
Viele Unternehmen konzentrieren sich primär auf die Photovoltaiktechnologie. Enerthing hingegen beschränkt sich nicht nur auf das Solarprodukt, wie Niggemann erläutert: «Wir fokussieren uns auf die Photovoltaik und die Anwendung: von der Auswahl der Photovoltaikfläche, dem Produktdesign und der Integration in das Gehäuse bis zu den Sensordaten in der Cloud.»
Gebäudesensorik und Industrie-Digitalisierung
Um batteriebetriebene Produkte photovoltaisch statt durch Batterien zu betreiben, braucht es mehr als nur ein anderes Gehäuse: «Eine neue Elektronik und eine neue Regelung der Geräte werden benötigt. So verknüpfen wir den Gedanken des Smart Grid, also des intelligenten Stromnetzes, mit der IoT-Welt.»
Das Licht variiert in Büros je nach Tageszeit, was aufgrund der sich verändernden Energie eine Herausforderung darstellt. Doch auch dafür hat das Start-up eine Lösung, erklärt der Geschäftsführer: «Zur Regelung der IoT-Geräte steuern wir die Aktivitäten je nach Energiebedarf dank der Sensoren und Daten in der Cloud.» Das macht das Produkt wartungsfrei.
Aktuell konzentriert sich Enerthing auf zwei Anwendungsbereiche: die gesamte Gebäudesensorik und die Digitalisierung im Industriebereich. Für die Optimierung von Gebäuden sind drei Faktoren relevant: energieeffizienter Gebäudebetrieb, Auslastungsmanagement und Gesundheit in den Innenräumen – dazu gehört unter anderem die Luftqualität. Im Industriebereich deckt das Unternehmen vor allem die Bereiche Lagerhaltung und Condition-Monitoring ab, womit zum Beispiel der Maschinenzustand ermittelt werden kann.
Doppelter Wirkungsgrad wie herkömmliche Solarzellen
Enerthing erzielt einen doppelt so hohen Wirkungsgrad bei der Beleuchtung mit künstlichem Tageslicht wie herkömmliche Solarzellen. Das Team hat eine Photovoltaiktechnologie entwickelt, die im Vergleich zu anderen pro Fläche mehr Energie bei gleichem Licht erzeugt – eine besondere Umwandlungseffizienz von Licht zu Strom. Die Solarzellen erzeugen nutzbare Energie bereits ab einer Beleuchtungsstärke von 200 Lux, was etwa einem schlecht beleuchteten Schreibtisch entspricht.
Das Unternehmen druckt die Solarzellen auf Folien, wodurch sie gut biegbar sind. In Kombination mit der mechanischen Flexibilität der Folien und der Robustheit sind die Produkte für Industrieanwendungen wie schwer zugängliche Geräte mit Sensoren und Displays geeignet. Dadurch funktionieren sie energieautark. «Neben Innenräumen sehen wir auch im Aussenbereich ein grosses Potenzial – etwa im Bereich Smart City», schliesst Niggemann.
Ähnliches Konzept von der Universität Freiburg
Ebenso auf Folienschichten basiert ein von Forschenden an der Universität Freiburg entdecktes Material, welches das elektromagnetische Rauschen von Mobiltelefonen, WLAN-Routern, Stromleitungen oder natürlichen Quellen effizient in elektrische Signale und Ströme umwandelt. Auch diese Technologie beherbergt Potenzial, die meisten von uns befinden sich in Umgebungen mit permanentem elektromagnetischen Rauschen. Ob dieses als nutzlose Störung oder sogar als gefährlich empfunden wird, sei dahingestellt.
Doch von Anfang an: Stellen Sie sich ein Gerät vor, das selbst dann noch Daten überwacht und speichert, wenn sämtliche konventionellen Stromquellen ausfallen. Eine solche Unabhängigkeit könnte beispielsweise im Weltall, in Katastrophengebieten oder bei kritischen Infrastrukturen von entscheidender Bedeutung sein: «Wir hatten nicht erwartet, dass eine solche Stromspannung entstehen kann und derart stabil und reproduzierbar sein würde», sagt Co-Studienautor Subhrangsu Sarkar, Postdoc im Departement für Physik und im Fribourg Center for Nanomaterials.
Ein robuster, passiver Effekt
Das entwickelte Material basiert auf mehreren dünnen Folienschichten aus supraleitenden Cupraten und magnetischen Manganiten. Bei Kühlung auf unter 120 Kelvin (–153 °C) beginnt das System, eine spontane Gleichspannung von bis zu mehreren Dutzend Millivolt zu generieren. Diese Spannung ist stark genug, um Strom durch einen externen Stromkreis zu leiten und so elektromagnetische Schwankungen in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln: «Obwohl es keine Batterie, kein Licht und keinen Temperaturgradienten gibt, können wir einen stetigen Stromfluss messen», sagt Subhrangsu Sarkar. «Das ist ein erstaunliches Ergebnis.»
Im Gegensatz zu ähnlichen Phänomenen, die in manchen konventionellen Supraleitern zu beobachten sind, stellt sich dieser Effekt auch ohne Magnetfeld ein und hält in einem breiten Temperaturbereich an. Die Forschenden führen dies auf konkurrierende elektronische Ordnungen zurück, die ein komplexes Energieumfeld mit einer asymmetrischen, ratschenartigen Struktur erzeugen: Ladungsträger, die vom Umgebungsrauschen angeregt werden, wandern hier in eine bestimmte Richtung und generieren dabei einen Nettostromfluss – ähnlich einer mechanischen Ratsche, die nur Bewegungen in eine Richtung zulässt.
Vom Sensor bis zum Quantencomputer
Die Forschungsgruppe stellt sich Anwendungen wie selbstversorgende Sensoren, Speicherelemente und Energiegewinnungsgeräte vor. Diese könnten unter moderaten kryogenen Bedingungen betrieben werden, wie sie sich leicht mit flüssigem Stickstoff erzeugen lassen. Die spontane Spannung zeigt auch reproduzierbare Schalt- und Speichereffekte und ist dadurch ein vielversprechender Ansatz für multifunktionale Komponenten, die auf elektrische oder magnetische Felder ansprechen: «Dadurch eröffnen sich Möglichkeiten für die Entwicklung von Datenerfassungs- und -speichergeräten, die nicht auf eine externe Stromversorgung angewiesen sind», erklärt Prof. Christian Bernhard von der Universität Freiburg. «Dies könnte sich beispielsweise bei Raumfahrtmissionen, Quantencomputern und sonstigen Konfigurationen mit begrenzter Stromversorgung als nützlich erweisen.»
Schritt in Richtung selbstversorgende Elektronik
Die Studie zeigt, dass komplexe Oxid-Heterostrukturen nicht nur als passive Komponenten, sondern auch als aktive Energiewandler fungieren können. Im Zuge der weiteren Entwicklung könnten solche Systeme einen Beitrag leisten im wachsenden Bereich der von herkömmlichen Stromquellen unabhängigen Elektronik.