Kommentar

Wieviel Energie gibt die Umwelt her?

Dank hochleistungsfähiger ICs ist es jetzt sogar (wenigstens theoretisch) möglich, am menschlichen Körper elektrische Energie zu erzeugen. Hierzu nutzt man entweder beispielsweise Solarzellen, die in die Kleidung integriert sind, oder thermoelektrische Generatoren, die Körperwärme in Strom umsetzen.

© Micropelt 

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Keine Zukunftsmusik mehr: Das Evaluierungsmodul »TE-CORE« setzt Nutz- oder Abwärme mit Hilfe kommerziell aus Serienproduktion verfügbaren Wandlern in elektrische Energie um. Wer nur einige mW benötigt, kann künftig ganz ohne Batterie auskommen.

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Keine Zukunftsmusik mehr: Das Evaluierungsmodul »TE-CORE« setzt Nutz- oder Abwärme mit Hilfe kommerziell aus Serienproduktion verfügbaren Wandlern in elektrische Energie um. Wer nur einige mW benötigt, kann künftig ganz ohne Batterie auskommen.

Diese Möglichkeit gab allerdings auch Anlass zu abenteuerlichen Spekulationen über autarke Stromversorgungen, mit deren Hilfe sich Leuchten bis hin zu E-Bikes betreiben lassen sollen. Vielfach missachteten die Spekulanten dabei die Gesetze der Physik, so dass es durchaus sinnvoll erscheint, die realen Möglichkeiten genauer unter die Lupe zu nehmen.

Die höchste Ausbeute ist immer noch der Photovoltaik vorbehalten. Wenn die Sonne als Energiequelle dient, liefert sie bis 1 kW/m2 an Strahlungsleistung, das sind 100 mW/cm2. In gut ausgeleuchteten Räumen sind allerdings nur rund 100 µW/cm2 zu erwarten. Dennoch reicht das schon für Energy Harvesting aus, denn die Konversionseffizienz guter Solarzellen erreicht zwischen 10 und 20 bis maximal 25 Prozent. Mann kann also im Freien 10 mW/cm2 erwarten und in Räumen 10 µW/cm2. Solche Harvester sind bereits Realität.

Anders sieht es mit Seebeck-Generatoren aus. Sie lassen sich zum Beispiel an heißen Stellen auf Maschinen/Motoren und dergleichen anbringen. Gelingt es, die andere Seite ausreichend zu kühlen, lassen sich Temperaturgradienten erzeugen, die eine Konversionseffizienz (die so genannte Carnot-Effizienz) von etwa 3 Prozent ermöglichen. Weil die Abwärme durchaus 100 mW/cm2 erreichen kann, sind 1 bis 10 mW/cm2 erreichbar. Erste Implementierungen sind bereits über das Experimentierstadium hinaus erhältlich.

Einer der führenden Hersteller von thermo-elektrischen Generatoren ist übrigens das deutsche Unternehmen Micropelt. Seine Wandler bauen auf einer Bismuth-Tellurium-Legierung (Bi2Te3) auf, die sich durch einen hohen Carnot-Wirkungsgrad auszeichnen (in einem breiten Temperaturfenster mehr als 10 Prozent, in der Spitze bis 18 Prozent). Erst kürzlich stellte Micropelt seine Evaluierungseinheit »TE-CORE« vor. Sie lässt sich magnetisch an einen heißen Körper (zum Beispiel einem Heizkörper) anhaften und stellt eine feste Ausgangsspannung von 2,4 V (optional zwischen 1,9 und 4,5 V konfigurierbar) bei einer Leistung zwischen 150 µW und mehr als 10 mW bereit. Laut CEO Fritz Volkert fährt Micropelt derzeit seine Fertigungsstraße (in Halle/Saale) hoch, mit der sich künftig jedes Jahr zwischen 5 und 10 Mio. thermo-elektrische Wandler in Großserie herstellen lassen. Das Investitionsvolumen von rund 15 Mio. Euro, zeigt, dass es sich schon lange nicht mehr um eine Pilotfertigung oder gar ein Experiment handelt.

Die Nutzung heißer Körper zur Wandlung von Wärme in elektrische Energie hat also offenbar Zukunft. Die Wandlung menschlicher Körperwärme in elektrische Energie ist allerdings eher ineffizient. Das überrascht zunächst, gibt doch der menschliche Körper ständig etwa 100 W an seine Umgebung ab. Und ein (flächen- und zeitmäßig begrenzter) Fluss von thermischer Energie bis 20 mW/cm2 ließe sich durchaus verwirklichen, Jedoch ist in der Praxis kein ausreichend hoher Temperaturgradient möglich, so dass er meistens nur für maximal einige 100 mV reicht. Wandler, wie sie Linear Technology anbietet, begnügen sich aber auch schon mit derart geringen Werten, so dass eine technische Realisierung (zumindest im niedrigen Leistungsbereich) möglich scheint. Der Antrieb von E-Bikes oder leistungsfähigen LED-Leuchten scheidet aber aus!

Vibrationen und andere mechanische Schwingungen können ebenfalls ausreichend Energie bereitstellen. Maßgeblich sind die Schwingungsamplitude und die Schwingungsfrequenz. Wie viel Energie sich aus der Vielzahl von Energiequellen gewinnen lässt, hängt sehr von der Charakteristik der jeweils angezapften Quelle und der Wandlertechnik ab. Experimente mit technisch realisierbaren Wandlern ergeben Vergleichswerte von einigen bis 100 µW/cm2.
Es ist auch denkbar, elektrische Energie aus Funkwellen zu gewinnen. Wer in der Nähe einer Sendestation wohnt und sich womöglich über deren Elektrosmog ärgert, könnte sich wenigstens mittels Energy Harvesting »irgendwie schadlos« halten. Berechnungen und Experimente haben immerhin ergeben, dass eine hohe Wandlungseffizienz möglich wäre. Wenn Funkwellen auf eine Fläche von 100 cm2 treffen, kann die Bestrahlungsstärke durchaus 10 oder mehr µW betragen. Bei einer Wandlungseffizienz von 50% stünden also etliche µW zum Laden eines Energiespeichers zur Verfügung.

Und wer sich in der Nähe einer Hochspannungsleistung befindet, könnte mit Hilfe einer Spule sogar das magnetische Wechselfeld (50 Hz) der Spannungsleitungen anzapfen. Die Energie-Ausbeute würde vor allem von der momentanen Stromstärke, der Distanz zur Leitung und dem Umfang der Spule abhängen. Man muss allerdings bedenken, dass es sich bei diesen Ausprägungen von Energy Harvesting um eine etwas dubiose und nicht gerade ökologische »Ernte« handeln würde, weil die entnommene elektrische Energie zuvor konventionell (und im Fall der HF-Energie auch noch sehr aufwändig!) erzeugt wurde.

Weiterführende Links:

• Leistungsfähige Power-Management-ICs bringen Energie-Ernte ein: Energy Harvesting wandelt Traum in Trend
• Kommentar: Game Changer Energiespeicherung
• Stromversorgung: Energy-Harvesting-Markt wächst ab 2015 rapide