Beitragende: Constantin Baumann, Johannes Wieczorek, Peter Spies (IIS), David Sanchez (IZM)
Drahtlose Sensoren benötigen für ihren Betrieb elektrische Energie zur Versorgung der elektronischen Komponenten. Um eine einfache Installation und einen Einsatz an Stellen ohne kabelbasierte Stromversorgungen zu ermöglichen, wird diese Energie typischerweise durch Batterien bereitgestellt.
Alternativ können drahtlose Sensoren auch über Energy Harvesting mit Energie aus der direkten Umgebung des Sensorknotens versorgt werden. Beispiele für solche Energieformen in der Umgebung sind Licht, Temperaturdifferenzen, Verformungen oder Vibrationen. Hier sind die Größe des benötigten Energy Harvesting Systems abhängig vom Energieverbrauch des Sensorknotens und der Menge an verfügbarer Umgebungsenergie.
Bestimmung des CO2-Fußabdrucks
Um die verschiedenen Varianten der Sensoren und deren Energieversorgung bzgl. ihrer Nachhaltigkeit und Umweltbelastung zu bewerten, wurde der CO2-Fußabdruck der Produktion aller Bauteile von drei unterschiedlich versorgten Sensorknoten für zwei Use Cases abgeschätzt und verglichen. Im ersten Use Case werden Daten alle 15 min übertragen, im zweiten Use Case alle 5 min, was einen durchschnittlichen Leistungsbedarf von 400 bzw. 790 µW zur Folge hat. Dieser Leistungsbedarf muss durch die Energieversorgung gedeckt werden. Neben einem Sensorknoten, der mit einer Primärbatterie versorgt wird, hat ein weiterer Sensorknoten eine Energieversorgung über eine Solarzelle, der dritte wird über einen thermoelektrischen Generator versorgt. Für die Solarzelle wurde dabei eine Beleuchtungsstärke von 500 Lux über 8 h Stunden pro Tag angenommen. Für den Betrieb mit dem thermoelektrischen Generator wurde eine Temperaturdifferenz von 10 K berücksichtigt, die beispielsweise zwischen einem warmen Objekt wie einem Wasser- oder Heizungsrohr oder einem Motor und der Umgebungsluft herrschen könnte. Im Betrieb müssen diese energieautarken Systeme nicht vom Stromnetz gespeist werden, somit ist ihr CO2-Fußabdruck während des Betriebs gleich null. Die Bauteile der verschiedenen Sensorknoten wurden in Kategorien zusammengefasst und deren Anteil am gesamten CO2-Fußabdruck in Diagrammen dargestellt. Bauteilkategorien, deren Anteil kleiner als 5% ist, werden zusammengefasst.
Für Use Case 1 ergeben sich die folgenden Werte (Abbildung 1) und deren Aufteilung auf die unterschiedlichen Komponenten. Unter die Anteile, die kleiner als 5% sind, fallen Kondensatoren, Widerstände, Induktivitäten, Superkondensator, LED, Quarze, Transistoren, Antennen, Schrauben, Transformatoren, TIM und in manchen Fällen auch Dioden, Nylon und der TEG. In allen Fällen sind die beiden größten Anteile am gesamten CO2-Fußadruck die integrierten Schaltungen (ICs) und die Energieversorgung.
Break-Even-Point der Laufzeit bei den Anwendungsfällen
Die Größe und damit der CO2-Fußabdruck ist bei den Energy Harvesting Systemen nur von den Umgebungsbedingungen und dem Energiebedarf abhängig, da diese zusammen mit der Größe die Leistungsausbeute bestimmen. Der CO2-Fußabdruck ist aber nicht von der Laufzeit abhängig, da die Leistung aus der Umgebung stetig nachgeliefert wird. Bei der Version mit Batterie steigt der CO2-Fußabdruck dagegen mit Energiebedarf und Laufzeit, da damit auch die Größe der nötigen Batterie und deren CO2-Fußabdruck anwächst.
Abbildung 2 zeigt den CO2-Fußabdruck der Batterielösung für die beiden Use Cases als Funktion der geplanten Lebensdauer. Gleichzeitig sind die CO2-Fußabdrücke der Energy Harvesting Lösungen als konstante Gerade eingezeichnet, da diese ja unabhängig von der geplanten Einsatzdauer sind. Hierbei stellt sich heraus, dass im ersten Use Case der batteriebetriebene Funksensor ab etwa 3,5 Jahren einen größeren CO2-Fußabdruck als die PV-Lösung hat und ab 7,5 Jahren einen größeren CO2-Fußabdruck als die TEG-Lösung hat. Der größere Energiebedarf im zweiten Use Case führt dazu, dass die Schnittpunkte der CO2-Fußabdrücke um circa ein halbes Jahr bei PV bzw. um circa ein ganzes Jahr bei TEG früher auftreten. Das ist darin begründet, dass in beiden Use Cases das PV-Modul einen geringeren CO2-Fußabdruck pro Mikrowatt Leistung besitzt als der TEG.
Zusammenfassung
Es zeigt sich in bestimmten Szenarien ein geringerer CO2-Fußabdruck in der Herstellung der Energieversorgung bei der Nutzung von Energy Harvesting im Vergleich zum Betrieb mit Primärbatterien. Beispielsweise wurde errechnet, dass bei einem Leistungsverbrauch eines Funksensors von 800 µW und einer Laufzeit von 10 Jahren der CO2-Fußabdruck um 50 % reduziert werden kann, wenn statt einer Primärbatterie eine Solarzelle eingesetzt wird, vorausgesetzt es steht eine Beleuchtungsstärke von 500 Lux für 8 h täglich zur Verfügung. Dieser CO2-Fußabdruck ist jedoch abhängig von Umgebungsbedingungen in Form von Beleuchtungsstärke bzw. Temperaturdifferenz, Laufzeit und Energiebedarf des Sensorknotens. Daher wurde im Weiteren der Schnittpunkt ermittelt, an dem die Energieversorgung durch Energy Harvesting den gleichen CO2-Fußabdruck hat wie die Versorgung über Batterie (Break-Even-Point).