nachhaltige Zukunft - Energy Harvesting, Energieernte, Piezo-Platten

Die kleine Energieernte im Alltag

Energy Harvesting bedeutet das Ernten von elektrischer Energie im Millivoltbereich und Milliwattbereich aus natürlich vorhandenen Quellen wie Druck, Luftströmung, Vibration oder kleinen Temperaturdifferenzen. Ein Anwendungsbeispiel ist die Piezoelektrik (von piezo = Druck), bei der durch Schritte auf entsprechend verschalteten Piezo-Platten so viel Strom entstehen kann, dass das Einschalten einer Beleuchtung oder gar die Versorgung von LEDs möglich wird. Auch in Turnschuhen gibt es schon piezoelektrische Elemente, die Läufer können damit ein Pulsmessgerät, eine Uhr oder gar einen MP3-Player betreiben. Natürlich fragt der elektrisch interessierte Laie, um wie viel Strom genau es sich handelt. Hierauf gibt es leider keine Antwort, sondern lange, aufwendige Gleichungen ohne exakte Angaben bis auf 1 J = 1 Nm = 1 Ws (ein Joule ist ein Newtonmeter und gleichzeitig eine Wattsekunde). An dieser Stelle klafft leider eine Lücke im Internet, liebe Freunde der elektrischen Kunst. Lediglich in einem Forum meldet ein Bastler, mit Piezoelektrik sagenhafte 93 Volt und 6 Watt erzeugt zu haben.

Zielrichtung beim Energy Harvesting
Zum einen soll Energie auf umweltfreundliche Weise und aus den vielen alltäglichen energetischen Vorgängen gewonnen werden, die nun einmal vorhanden sind. Das oben erwähnte Beispiel mit den Piezo-Platten ist der beste Beleg, denn man errechne einfach die Energie der Schritte von Tausenden Kunden eines Einkaufszentrums, die ungenutzt verpufft. Warum soll daraus nicht Licht oder eine Klimatisierung entstehen? Ein weiteres Anliegen beim Energy Harvesting sind Steuerungsprozesse. Um wieder beim erwähnten Beispiel zu bleiben: Wenn die Piezo-Platten betreten werden, geht überhaupt erst das Licht an, das ansonsten nicht benötigt wird, beispielsweise nachts auf unbelebten Straßen. Entweder liefert der Läufer selbst genug Strom für wenigstens etwas LED-Licht, oder die Piezoelektrik wirkt als Impuls auf einen Stromschalter. Das ist aktuell (Anfang 2013) sogar noch die Hauptzielrichtung beim Energy Harvesting, da die elektrischen Leistungen selbst sehr gering ausfallen. Außerdem möchte man Batterien und Verkabelungen einsparen.
Anwendungsbeispiele für Energy Harvesting sind:

Fotovoltaik und Solarthermie
piezoelektrische Platten
Energiegewinnung aus Armbewegungen in mechanischen Armbanduhren mittels kugelgelagertem Rotor
Energiegewinnung durch Temperaturunterschiede mittels thermoelektrischen Generatoren und pyroelektrischen Kristallen
Energiegewinnung aus der elektromagnetischen Strahlung von Radiowellen in passiven RFIDs
Osmose

Einige dieser Prinzipien sind schon sehr lange bekannt, die Solarthermie wurde schon in der Antike angewendet, die sich selbst aufziehenden Armbanduhren gibt es etwa seit den 1970er Jahren, die Fotovoltaik seit den 1990er Jahren im Alltagsgebrauch auch größerer Anwendungen (in Taschenrechnern seit den 1980er Jahren, in der Raumfahrt seit den 1950er Jahren). Auch das Osmoseprinzip kommt seit dem 19. Jahrhundert praktisch zur Anwendung, sodass man fragen könnte: Was ist so neu am Energy Harvesting? Neu sind Entwicklungen wie die Piezoelektrik, neu ist aber auch die Betrachtung unter energie- und umweltpolitischen Gesichtspunkten. Die Menschheit hat erkannt, dass sie mit Energie haushalten und sie ernten muss, wo sie kann.

Wie funktionieren eigentlich Piezo-Platten?
Beim piezoelektrischen Effekt wird mechanischer Druck in elektrischen Strom umgewandelt. Die Anwendungen sind heute schon vielfältig, neben den erwähnten Piezo-Platten sind es auch Piezo-Zünder, Funkschalter auf piezoelektrischer Basis oder autarke Sensoren. Das Wort leitet sich aus dem Griechischen πι?ζειν ?λεκτρον (piezein elektron = Druckelektrik) ab, das Prinzip basiert auf einer Änderung der elektrischen Pole in Festkörperkristallen, wodurch sich der Strom aufbaut. Neben dem direkten Piezoeffekt, also der Erzeugung von Strom durch mechanischen Druck, gibt es auch den inversen Piezoeffekt, also umgekehrt einer mechanischen Verformung durch Strom. Das Prinzip ist seit 1880 bekannt (Entdeckung durch die Curie-Brüder Jacques und Pierre), zunächst kamen Turmalinkristalle als Erzeuger zum Einsatz, heute verwendet man überwiegend Blei-Zirkonat-Titanat. In den verwendeten Kristallen bilden sich winzige Dipole in den Elementarzellen, wenn diese verformt werden, die Ladungsschwerpunkte zwischen Protonen und Elektronen werden verschoben. Viele dieser Elementarzellen erzeugen auf diese Weise ein elektrisches Feld, das messbar ist und für eine Energieernte genutzt werden kann.

Energy Harvesting durch Thermoelektrizität
Die Entdeckung der Thermoelektrizität reicht noch weiter zurück, schon 1821 ermittelte der Ingenieur Thomas Seebeck eine elektrische Spannung in einer Metallstange, die unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt wurde. Heutige Anwendungen sind vorrangig Temperaturmessungen, die Energieernte fällt vergleichsweise sehr gering aus (Wirkungsgrad aktuell unter 10 Prozent). Man hofft jedoch, durch geeignete Materialien den Wirkungsgrad steigern zu können und auf diese Weise die Abwärme in Kraftfahrzeugen, Müllverbrennungsanlagen, Blockheizkraftwerken oder Abwasseranlagen nutzen zu können.