Fraunhofer löst die Energieprobleme vernetzter Sensoren

Fraunhofer löst die Energieprobleme vernetzter Sensoren

09.04.2018

Fraunhofer löst die Energieprobleme vernetzter Sensoren

Mit der Entwicklung einer extrem energieeffizienten und modularen Hardware wird in einem Fraunhofer-Leitprojekt die Basis für ein flächendeckendes Internet der Dinge geschaffen.

Im Internet der Dinge (IoT) sammelt eine gewaltige Zahl von vernetzten Knoten Daten, wertet sie auch und führt sie in einem Netzwerk zusammen.Das Problem: Der Energieverbrauch der Knoten ist enorm. 2013 entsprach der Energiebedarf von allen vernetzten Geräten weltweit gemäß einer Studie der International Energy Agency dem Gesamtbedarf an elektrischer Energie in Deutschland. Innerhalb der nächsten Jahre wird sich dieser Bedarf sogar auf 1140 Terawatt pro Jahr nahezu verdoppeln, wobei das vernetzte IoT einen erheblichen Anteil an diesem Wachstum haben wird. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die Sensoren energieeffizienter werden.

Bisher haben Industrie und Forschung dazu keine umfassende Lösung: Für jede Anwendung wird eine einzelne IoT-Hardware entwickelt, die dann mehr oder weniger energieeffizient ist. Die Fraunhofer-Gesellschaft will das ändern: In ihrem Leitprojekt „Towards Zero Power Electronics“ (ZEPOWEL) soll eine Hardware-Lösung entwickelt werden, die einerseits ganzheitlich und andererseits extrem energieeffizient ist. In einem nächsten Schritt könnten vernetzte Sensoren sogar komplett energieautark arbeiten.

Zum einen sollen die Knoten selbst deutlich weniger Energie verbrauchen, zum anderen wird eine Energieeinsparung auf Systemniveau realisiert. Das heißt, auch die Kommunikation mit anderen Systemen wird energiesparender.

Folgende Aufgaben wollen die Fraunhofer-Institute lösen:

Hocheffiziente Bauelemente für eine robuste und sichere Kommunikation

Dafür entstehen im Rahmen des Leitprojekts neue Technologien, zum Beispiel ein Ultra-Low-Power WakeUp-Receiver, der dafür sorgt, dass ein Sensorknoten nicht permanent Daten senden muss, sondern erst bei einem bestimmten Schwellwert oder durch eine authentifizierte Anfrage von außen „geweckt“ wird.

Das im Projekt entwickelte Modul soll 1.000-mal effizienter sein als existierende Standardfunklösungen. Der entwickelte Receiver reagiert nur auf autorisierte und kryptographisch gesicherte Signale, die tatsächlich für ihn relevant sind. Auf diese Weise kann der Sensorknoten bei minimalem Energieverbrauch im Standby-Modus verbleiben und im Bedarfsfall durch den WakeUp-Receiver sofort aktiviert werden.

Genauere Messung bei geringerem Energieaufwand

Zusätzlich wird in dem Projekt eine Sensorinnovation angestrebt: Es soll ein Luftgütesensor mit einer Mikropumpe gekoppelt werden. Die Pumpe dient dann als Messverstärker, indem sie die zugeführte Luftmenge stark vergrößert. Wenn diese Herausforderung gelingt, entsteht ein Sensor, der deutlich weniger sensitiv gebaut sein müsste, aber gleichzeitig viel genauere Daten liefert: Während heutige Sensoren bei einer Leistung von 1.250 Mikrowatt pro Sekunde 5.000 Messergebnisse liefern können, soll der entwickelte Sensor bei einer Leistung von weniger als 10 Mikrowatt doppelt so viele Messergebnisse pro Sekunde liefern.

Sensoren versorgen sich noch leichter selbst mit Strom

Es soll nicht nur das Sammeln und Weiterleiten von Daten optimiert werden, sondern der Energiehaushalt der Knoten selbst.

Deshalb soll ein Breitband-Harvester entwickelt werden, eine Art Erntemaschine für die Umgebungsenergie. Seine Effizienz vervierfacht sich im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik: Um 100 Mikrowatt Leistung aus seiner Umgebung zu ernten, braucht er nur noch ein Viertel der Fläche, nämlich 5 mal 5 Quadratmillimeter. Die so geerntete Energie wird in einer neu entwickelten Dünnschichtbatterie gespeichert, die direkt auf dem Hardware-Chip integriert ist.

Modularer Baukasten für jede Anwendung

Das Leitprojekt ZEPOWEL hat sich darüber hinaus zum Ziel gesetzt, keine rein anwendungsspezifischen Knoten, sondern einen modularen Ansatz nach dem Prinzip Plug and Play zu entwickeln.

Bild: Franhofer

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Autor: Dörte Neitzel

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