Energy Harvesting: Energie aus der Umgebung

Was ist Energy Harvesting und wozu dient es?    

Energy Harvesting steht grundsätzlich für eine Vielzahl von Technologien, mit denen sich elektrische Energie aus der Umgebung nutzen lässt. Ein ganz einfaches Beispiel bilden die Photovoltaikzellen an einem Taschenrechner. Sie gewinnen Strom aus Licht und nutzen diesen, um den Rechner lange autark, also ohne einen Batteriewechsel, zu betreiben. Neben einer hohen Sicherheit sorgt das Prinzip hier für viel Komfort. Im größeren Stil, etwa bei einer stromerzeugenden Solarstraße, lässt sich mit dem Energy Harvesting auch der Verbrauch fossiler Energieträger senken. Das schont den Geldbeutel und entlastet die Umwelt.

Technische Lösungen für das Energy Harvesting

Geht es darum, elektrische Energie aus der Umgebung zu gewinnen, kommen heute verschiedenste Technologien infrage. Zu nennen sind dabei unter anderem:

• piezoelektrische Materialien
  
• thermoelektrische Generatoren
  
• Photovoltaikzellen
  

In den folgenden Abschnitten erklären wir, wie die einzelnen Lösungen zum Energy Harvesting funktionieren.

Energie mit piezoelektrischen Materialien ernten  

Piezoelektrische Materialien erzeugen eine elektrische Spannung, wenn sie durch Druck elastisch verformt werden. Bekannt ist das Prinzip zum Beispiel aus elektrischen Feuerzeugen: Hier entsteht ein Zündfunke durch die Verformung eines Kristalls. Auf die gleiche Weise lässt sich auch eine Gasheizung oder ein Gasherd mit einem sogenannten Piezozünder starten.

Energy Harvesting mit thermoelektrischen Generatoren 

Thermoelektrische Generatoren setzen auf Temperaturunterschiede, die zum Beispiel zwischen einem Heizkörper und seiner Umgebung bestehen. Sie basieren dabei auf dem sogenannten Seebeck-Effekt, der bereits im Jahr 1821 von Thomas Johann Seebeck entdeckt wurde. Er besagt, dass zwischen zwei Enden eines Metalls eine Spannung entsteht, wenn sich die Temperaturen unterscheiden. Technisch nutzen lässt sich das Prinzip mit einem Peltier-Element. Dieses besteht einfach beschrieben aus zwei Metallstreifen, die an einem Punkt miteinander verbunden sind.

Photovoltaikzellen zur Umwandlung von Licht in Strom

Eine weitere Möglichkeit zum Energy Harvesting bieten auch Photovoltaikzellen, wie sie in einer typischen Photovoltaikanlage zum Einsatz kommen. Sie nutzen den photoelektrischen Effekt, der schon 1905 von Albert Einstein gedeutet wurde. Er besagt, dass sich Elektronen aus einer Metall- oder Halbleiteroberfläche herauslösen, wenn diese mit Licht bestrahlt wird. Auf diese Weise lässt sich Strahlungsenergie aus dem Umgebungslicht in elektrische Energie umwandeln. Im Vergleich zu den übrigen Technologien ist die Photovoltaik das bekannteste Verfahren zum Ernten von Strom aus der Umgebung.

Einsatzbereiche und Beispiele aus der Praxis  

Das Energy Harvesting kommt heute in vielen Bereichen zum Einsatz. So versuchen Forscher zum Beispiel, elektrische Energie über sogenannte Solarstraßen und -wege zu gewinnen. Der Strom könnte die Beleuchtung autark betreiben und fossile Ressourcen schonen. Die gleiche Aufgabe sollen Wege übernehmen, die die Bewegung von Fußgängern in elektrische Energie umwandeln. Denkbar sind auch piezoelektrische Materialien in Schuhen, die beim Laufen ganz nebenbei Strom erzeugen. Auch Stoffe, die Körperwärme mit dem thermoelektrischen Effekt in Strom umwandeln, sind bereits verfügbar. Sie können Smartphones mit Energie versorgen, wenn gerade keine Steckdose in der Nähe ist.

Energy Harvesting in der Heizungstechnik

Während die genannten Beispiele in der Praxis noch wenig Bedeutung haben, gibt es andere Bereiche, in denen sich das Energy Harvesting bereits etabliert hat. So zum Beispiel in der Heizungstechnik und der  Gebäudeautomation. Damit eine  Heizungsregelung  weiß, wie warm die  Vorlauftemperatur der Heizung  sein soll, ist sie mit verschiedensten Sensoren ausgestattet. Das können zum Beispiel Taster, Präsenzmelder oder Temperaturfühler sein. Mit Technologien zum Energy Harvesting lassen sich diese ganz einfach ohne Kabel und Batterie betreiben. Die Sensoren können dabei frei im Raum platziert werden und gewinnen den Strom zum Versenden der erfassten Informationen aus Licht, Bewegung oder kleinsten Temperaturunterschieden. In den Bereichen  Smart Home  und  Digitale Heizung  funktioniert das zum Beispiel mit dem EnOcean-Funkstandard. Neben den Technologien zum Energy Harvesting kommt es dabei vor allem auf eine energiesparende Funkübertragung der Messwerte an.