Energie steckt in Sonnenlicht, Wärmeunterschieden, Bewegungen und Vibrationen. Mit Energy Harvesting lassen sich kleine Mengen dieser vorhandenen Umgebungsenergie auffangen und in elektrische Energie umwandeln. Das klingt zunächst nach einer Möglichkeit, überall nebenbei Strom zu erzeugen. Ganz so einfach ist es allerdings nicht.
Für die Stromversorgung eines Haushalts ist Energy Harvesting nicht gedacht. Interessant wird die Technik dort, wo nur sehr wenig Energie benötigt wird – etwa für Sensoren, Funksender oder andere sparsame elektronische Bauteile. Dort kann sie helfen, Batterien länger zu nutzen, Batteriewechsel zu vermeiden oder Geräte an Orten zu betreiben, an denen eine Verkabelung schwierig wäre.
Was steckt also hinter Energy Harvesting, welche Verfahren gibt es und wie sinnvoll ist das Ganze aus Sicht der Nachhaltigkeit?
Was ist Energy Harvesting?
Der englische Begriff „Energy Harvesting“ lässt sich ungefähr mit „Energie ernten“ übersetzen. Gemeint ist damit, Energie aus der unmittelbaren Umgebung aufzunehmen, in elektrische Energie umzuwandeln und für einen bestimmten Verbraucher nutzbar zu machen.
Dabei können beispielsweise Licht, Wärmeunterschiede, Bewegungen oder Vibrationen als Energiequelle dienen.
Das Prinzip ist besonders für kleine elektronische Systeme interessant. Ein Energy-Harvesting-System besteht typischerweise nicht nur aus einem Energiewandler. Je nach Anwendung gehören auch eine Elektronik zur Aufbereitung der gewonnenen Energie und ein Energiespeicher dazu.
Das ist notwendig, weil die verfügbare Umgebungsenergie häufig schwankt. Eine Solarzelle liefert beispielsweise nicht ständig die gleiche Leistung, eine Maschine vibriert möglicherweise nur während des Betriebs und auch Temperaturunterschiede können sich verändern.
Energy Harvesting funktioniert deshalb besonders gut, wenn Energiequelle, Wandler, Speicher und Energieverbrauch des angeschlossenen Geräts genau aufeinander abgestimmt sind.
Welche Energiequellen lassen sich für Energy Harvesting nutzen?
Es gibt verschiedene technische Verfahren. Welches sinnvoll ist, hängt vor allem davon ab, welche Energie am jeweiligen Einsatzort zuverlässig vorhanden ist.
Licht
Solarzellen gehören zu den bekanntesten Energiewandlern. Sie wandeln Licht beziehungsweise Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie um.
Das sollte nicht mit der Nutzung von Wärme verwechselt werden: Photovoltaik erzeugt Strom nicht aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen Ober- und Unterseite einer Solarzelle. Grundlage ist der photovoltaische Effekt in Halbleitermaterialien.
Im kleinen Maßstab können Solarzellen beispielsweise elektronische Geräte oder Sensoren versorgen. Je nach Anwendung kommt dabei nicht nur direktes Sonnenlicht infrage. Speziell ausgelegte Solarzellen können auch vorhandenes Kunstlicht in Innenräumen nutzen, wobei die verfügbare Leistung entsprechend geringer ist.
Temperaturunterschiede
Auch Temperaturunterschiede können zur Stromerzeugung genutzt werden. Dafür kommen thermoelektrische Generatoren zum Einsatz.
Grundlage ist unter anderem der sogenannte Seebeck-Effekt. Vereinfacht gesagt entsteht eine elektrische Spannung, wenn zwischen geeigneten Materialien beziehungsweise Kontaktstellen ein Temperaturunterschied besteht.
Eine mögliche Wärmequelle kann beispielsweise ein warmes Rohr, ein Heizkörper, eine Maschine oder auch der menschliche Körper sein. Entscheidend ist dabei nicht allein, dass etwas warm ist. Für die Energiegewinnung wird ein Temperaturunterschied benötigt.
Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen arbeitet beispielsweise an Systemen, die bereits sehr geringe Temperaturdifferenzen technisch nutzen können.
Bewegung und Vibrationen
Mechanische Energie lässt sich ebenfalls in elektrische Energie umwandeln.
Ein wichtiges Verfahren nutzt piezoelektrische Materialien. Sie können durch mechanische Belastung oder Verformung eine elektrische Spannung erzeugen. Interessant ist das beispielsweise dort, wo regelmäßig Schwingungen auftreten.
Maschinen und andere technische Anlagen sind dafür naheliegende Einsatzorte. Ihre Vibrationen können genutzt werden, um Sensoren mit kleinen Energiemengen zu versorgen.
Daneben existieren elektromagnetische und weitere Verfahren, mit denen Bewegung in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Energy Harvesting im Alltag: Kannst du beim Laufen Strom erzeugen?
Prinzipiell ja. Praktisch ist die entscheidende Frage aber nicht, ob sich Energie gewinnen lässt, sondern wie viel davon nutzbar ist und welcher technische Aufwand dafür notwendig ist.
Bewegungen beim Gehen, Druck auf einen Boden oder Vibrationen können in elektrische Energie umgewandelt werden. Solche Anwendungen sorgen immer wieder für Aufmerksamkeit – etwa Fußböden, die Energie aus Schritten gewinnen, oder tragbare Geräte, die Körperbewegungen nutzen.
Daraus sollte allerdings nicht der Eindruck entstehen, wir könnten einen nennenswerten Teil unseres Haushaltsstroms einfach durch Herumlaufen erzeugen.
Bei vielen Energy-Harvesting-Verfahren bewegen wir uns im Kleinleistungsbereich. Das ist für entsprechend sparsame Elektronik durchaus interessant, für typische Haushaltsgeräte jedoch viel zu wenig.
Genau darin liegt ein wichtiger Unterschied zur klassischen Stromerzeugung: Beim Energy Harvesting wird häufig nicht versucht, möglichst viel Strom zu produzieren. Stattdessen wird ein Verbraucher entwickelt oder ausgewählt, der mit sehr wenig Energie auskommt.
Wo wird Energy Harvesting heute eingesetzt?
Besonders interessant ist die Technik für Sensoren und andere elektronische Systeme, die nur geringe Energiemengen benötigen.
Ein typisches Beispiel ist die Zustandsüberwachung von Maschinen. Sensoren können Temperaturen, Bewegungen oder andere Messwerte erfassen und drahtlos übertragen. Befindet sich ein solcher Sensor an einer schwer zugänglichen Stelle, kann ein regelmäßiger Batteriewechsel aufwendig sein.
Ähnliches gilt für Sensoren an Bauwerken oder in technischen Anlagen.
Energy Harvesting kann hier einen Teil oder im geeigneten Fall die gesamte benötigte Energie vor Ort bereitstellen. Fraunhofer-Institute entwickeln beispielsweise Systeme, die Temperaturunterschiede oder Maschinenvibrationen für die Versorgung von Funksensoren nutzen.
Weitere mögliche Einsatzbereiche sind Gebäudeautomation, Logistik, Zustands- und Strukturüberwachung sowie besonders energiesparende Anwendungen im Internet der Dinge.
Damit wird deutlich, wo die eigentliche Stärke der Technologie liegt: nicht in möglichst großen Strommengen, sondern in einer dezentralen Energieversorgung direkt am Verbraucher.
Kann Energy Harvesting Batterien ersetzen?
Manchmal – aber längst nicht immer.
Wenn ein Gerät extrem wenig Energie benötigt und an seinem Einsatzort ausreichend Umgebungsenergie verfügbar ist, kann ein weitgehend energieautarker Betrieb möglich sein.
In anderen Anwendungen ergänzt Energy Harvesting lediglich einen Energiespeicher. Die gewonnene Energie lädt beispielsweise einen Akku nach oder verlängert die Zeit bis zu einem Batteriewechsel.
Das ist wichtig, weil Licht, Wärmeunterschiede und Bewegungen nicht zwangsläufig dauerhaft vorhanden sind. Ein Sensor muss möglicherweise auch dann funktionieren, wenn die jeweilige Energiequelle gerade ausfällt.
Deshalb gehören Energiespeicher und ein möglichst sparsames Energiemanagement zu vielen Energy-Harvesting-Systemen dazu.
Ist Energy Harvesting automatisch nachhaltig?
Energy Harvesting klingt zunächst besonders ressourcenschonend: Vorhandene Energie wird genutzt, statt sie ungenutzt zu lassen. Trotzdem wäre es zu einfach, die Technologie grundsätzlich als „nachhaltig“ zu bezeichnen.
Auch ein Energy Harvester muss hergestellt werden. Dafür werden Materialien benötigt, elektronische Bauteile produziert und später wieder entsorgt oder recycelt. Thermoelektrische, piezoelektrische und andere Wandler unterscheiden sich zudem bei den verwendeten Materialien und ihrer Herstellung.
Ob ein System ökologisch sinnvoll ist, hängt deshalb vom konkreten Einsatz ab.
Ein Vorteil kann entstehen, wenn sich dadurch viele Batteriewechsel vermeiden lassen. Das ist vor allem bei einer großen Zahl verteilter Sensoren interessant. Batterien verursachen schließlich ebenfalls Umweltwirkungen entlang ihres gesamten Lebenszyklus – von Rohstoffgewinnung und Herstellung bis zu Transport, Nutzung und Recycling.
Allerdings wäre es wenig sinnvoll, ein funktionierendes kabelgebundenes Gerät allein deshalb durch ein neues Energy-Harvesting-System zu ersetzen, weil die neue Technik interessanter klingt.
Wie so oft bei Nachhaltigkeit zählt der gesamte Lebenszyklus.
Energy Harvesting und Energiesparen sind nicht dasselbe
Energy Harvesting wird gelegentlich in einen direkten Zusammenhang mit Energiesparen gebracht. Dabei sollte man zwei Dinge unterscheiden.
Energy Harvesting erzeugt beziehungsweise wandelt nutzbare elektrische Energie aus vorhandener Umgebungsenergie um. Energieeffizienz bedeutet dagegen, eine bestimmte Funktion mit möglichst wenig Energie zu erfüllen.
Gerade bei kleinen elektronischen Geräten gehören beide Ansätze allerdings eng zusammen.
Je weniger Energie ein Sensor benötigt, desto eher reicht eine kleine Energy-Harvesting-Quelle aus. Fortschritte bei extrem sparsamer Elektronik sind deshalb mindestens ebenso wichtig wie leistungsfähigere Energiewandler.
Das ist ein interessanter Perspektivwechsel: Statt nur zu fragen, wie sich mehr Energie gewinnen lässt, kann man auch fragen, wie wenig Energie eine bestimmte Aufgabe eigentlich benötigt.
Warum Energy Harvesting keine Alternative zu Photovoltaik auf dem Hausdach ist
Energy Harvesting und Photovoltaik werden manchmal in einen Topf geworfen, weil beide Energie aus der Umgebung nutzen. Die Größenordnung und der Einsatzzweck können jedoch völlig unterschiedlich sein.
Eine Photovoltaikanlage auf einem Gebäude soll relevante Mengen Strom für Haushalt oder Stromnetz erzeugen. Das Umweltbundesamt weist darauf hin, dass Photovoltaik inzwischen einen bedeutenden Beitrag zur Stromversorgung leistet.
Micro Energy Harvesting verfolgt dagegen meist ein anderes Ziel. Hier geht es häufig um Mikrowatt oder Milliwatt und damit um die Versorgung sehr kleiner Verbraucher.
Ein Sensor an einer Maschine benötigt schließlich keine Energie für Waschmaschine, Herd oder Wärmepumpe. Er muss vielleicht lediglich einen Messwert aufnehmen, kurz verarbeiten und gelegentlich per Funk übertragen.
Für genau solche Anwendungen können schon winzige Energiemengen wertvoll sein.
Lohnt sich Energy Harvesting für zu Hause?
Für die meisten Haushalte gibt es derzeit wenig Anlass, zusätzliche Geräte anzuschaffen, nur um mit Energy Harvesting kleine Mengen Strom zu erzeugen.
Ein Boden, der aus deinen Schritten Strom gewinnt, klingt zwar spannend. Wenn Herstellung, Elektronik und Installation dafür erhebliche Ressourcen benötigen, während der Energieertrag gering bleibt, ist der ökologische Nutzen keineswegs automatisch gegeben.
Sinnvoller ist Energy Harvesting im Haushalt vor allem dann, wenn die Technik bereits eine konkrete Funktion erfüllt. Denkbar sind beispielsweise batterielose oder besonders wartungsarme Sensoren und Schalter.
Für den eigenen Energieverbrauch bleiben größere Stellschrauben meist wichtiger: unnötigen Verbrauch vermeiden, effiziente vorhandene Geräte sinnvoll nutzen, Geräte lange verwenden und bei geeigneten Gebäuden beispielsweise Solarenergie nutzen.
Energy Harvesting ergänzt solche Maßnahmen, ersetzt sie aber nicht.
Was ist aus den futuristischen Energy-Harvesting-Ideen geworden?
Schon vor Jahren sorgten Ideen wie stromerzeugende Fußböden, Kleidung, Schuhe oder Sportgeräte für Schlagzeilen. Technisch ist vieles davon tatsächlich möglich.
Ob eine Idee technisch funktioniert und ob sie sich im Alltag wirtschaftlich und ökologisch lohnt, sind allerdings zwei unterschiedliche Fragen.
Gerade spektakuläre Demonstratoren zeigen häufig zunächst, dass sich eine bestimmte Energiequelle nutzen lässt. Für ein alltagstaugliches Produkt müssen anschließend noch ganz andere Fragen beantwortet werden: Wie viel Energie entsteht unter realistischen Bedingungen? Wie langlebig ist der Wandler? Welche Materialien werden benötigt? Wie teuer ist das System? Wie gut lässt es sich reparieren und recyceln? Und gibt es vielleicht eine einfachere Lösung?
Diese Fragen machen Energy Harvesting nicht weniger interessant. Sie helfen lediglich dabei, technische Innovation und tatsächlichen Nachhaltigkeitsnutzen auseinanderzuhalten.
Welche Zukunft hat Energy Harvesting?
Energy Harvesting dürfte vor allem dort an Bedeutung gewinnen, wo immer mehr kleine, vernetzte Sensoren eingesetzt werden.
Denn eine große Zahl drahtloser Geräte bringt ein praktisches Problem mit sich: Sie alle benötigen Energie. Müssen Batterien regelmäßig ausgetauscht werden, entstehen Materialverbrauch, Wartungsaufwand und Kosten.
Genau hier können sich sehr sparsame Elektronik und Energy Harvesting ergänzen. Forschung und Entwicklung beschäftigen sich deshalb unter anderem mit energieautarken Funksensoren, thermoelektrischer Energieversorgung und der Nutzung von Vibrationen.
Energy Harvesting ist damit weniger das „Mini-Kraftwerk für jeden Haushalt“, als das ältere Zukunftsvisionen gelegentlich vermuten ließen. Seine Stärke liegt im Hintergrund: kleine Geräte mit genau der Energiemenge zu versorgen, die sie tatsächlich benötigen.
Fazit: Kleine Energiemengen können am richtigen Ort sinnvoll sein
Energy Harvesting zeigt, dass Licht, Temperaturunterschiede, Bewegungen und Vibrationen technisch nutzbare Energiequellen sein können. Besonders interessant ist das für kleine und sehr sparsame elektronische Systeme.
Die Technik wird unseren Haushaltsstrom nicht durch Schritte auf dem Fußboden oder andere Alltagstätigkeiten ersetzen. Das muss sie aber auch nicht.
Wenn ein Sensor seine Energie direkt aus einer warmen Leitung, einer vibrierenden Maschine oder dem vorhandenen Licht beziehen kann, können Kabel oder häufige Batteriewechsel teilweise überflüssig werden. Gerade an schwer zugänglichen Orten ist das ein echter Vorteil.
Aus Nachhaltigkeitssicht lohnt sich trotzdem der Blick auf das gesamte System. Zusätzliche Elektronik benötigt Rohstoffe und Energie bei der Herstellung. Energy Harvesting ist deshalb nicht automatisch umweltfreundlich.
Am überzeugendsten ist das Prinzip dort, wo eine ohnehin vorhandene Energiequelle auf einen sehr sparsamen Verbraucher trifft und dadurch Wartung, Batterien oder zusätzliche Infrastruktur tatsächlich reduziert werden können.