Energy Harvesting im intelligenten Stromnetz

Das intelligente Stromnetz – oder Smart Grid – wird mit der zunehmenden Einführung von Netzwerken in ganz Europa allmählich Realität. Die Europäische Union will bis 2020 mindestens 80% der Stromzähler durch intelligente Zähler ersetzen und so die Emissionen um nahezu 10% und den jährlichen Stromverbrauch eines Haushalts um einen ähnlichen Prozentsatz senken.

Bis zum Jahr 2020 werden knapp 200 Millionen Stromzähler und 45 Millionen Gaszähler in ganz Europa installiert werden, sodass schließlich über 70% aller Verbraucher solche Zähler nutzen werden. Mit durchschnittlichen Installationskosten von 200 bis 250 € pro intelligentem Zähler handelt es sich hierbei um eine Investition von 45 Milliarden €, aber das ist nur die halbe Wahrheit. Denn nicht nur der Investitionsaufwand ist hoch – auch der Betriebsaufwand, um sicherzustellen, dass die Zähler alle wichtigen Daten liefern, ist enorm.

Ein wesentlicher Antrieb für einen Wechsel hin zum intelligenten Stromnetz oder Smart Grid ist der Wunsch, erneuerbare Ressourcen wie Solar- oder Windenergie effizienter zu nutzen. Mit der zunehmenden Anzahl von Windparks und Solaranlagen in ganz Europa wird es immer wichtiger, präzisere Daten zum Stromverbrauch in Häusern, Büros und Fabriken zu haben, um so diese erneuerbaren Energiequellen bestmöglich nutzen zu können. Vor diesem Hintergrund entsteht ein Netzwerk von intelligenten Zählern, welche den in einen Haushalt fließenden Strom überwachen, und es entstehen Netzwerke drahtloser Sensoren, die detailliertere Daten zum Stromverbrauch liefern können. Dies wiederum treibt auch die Einführung von Gateway-Geräten – häufig in lokalen Unterstationen – an, welche die Daten sortieren und in Echtzeit an die Energieversorger senden, oft unter Verwendung der Stromleitungen selbst mithilfe von Powerline-Controllern.

Diese gesamte Entwicklung nun stellt eine Chance zum Energy Harvesting innerhalb der elektronischen Systeme im Stromnetz dar. Zu den Hauptkosten eines Smart-Grid-Netzwerks gehören die Wartung und der Austausch von Batterien in den Zählern und Sensoren des Netzwerks. Mit der Nutzung der Energy-Harvesting-Technologie sowohl bei Zählern in Haushalten als auch bei den eher industriell genutzten Unterstationen können die laufenden Kosten für den Betrieb des intelligenten Stromnetzes drastisch gesenkt werden.

Hierbei können verschiedene Energy-Harvesting-Technologien zum Einsatz kommen: von Solarzellen zur Versorgung von Netzwerken aus drahtlosen Sensoren bis hin zu Thermogeneratoren, welche aus einer Temperaturdifferenz elektrische Energie für eine Unterstation erzeugen.

Solarenergie kann dabei auf verschiedene Arten verwendet werden, von kleinen Zellen auf den einzelnen Sensoren bis hin zu einer größeren Solaranlage, die ein Gateway, das die Daten eines Netzwerks sammelt, mit Strom versorgt.

Die Solarmodule vonParallax können bis zu 34 Watt elektrische Energie aus einer Aufdachanlage gewinnen und so die Netzwerkgeräte mit Strom versorgen. Sie sind für eine dauerhafte Stromproduktion ausgelegt (darunter im Rahmen von Aufdachanlagen) und können darüber hinaus auch in vielen tragbaren Anwendungen zum Einsatz kommen. Die Solarmodule bestehen aus jeweils zwölf monokristallinen, 125 mm (~5”) großen Solarzellen mit 2,85 Watt und einem Wirkungsgrad von etwa 18,5%, die auf einem UV-stabilisierten Polycarbonatuntergrund mit Abdeckplatten montiert sind, wodurch für eine lange Lebensdauer auch bei einem Einsatz im Freien gesorgt ist. Eine kundenspezifisch angefertigte Trägerplatte gewährleistet eine einfache Montage und schützt gleichzeitig die Solarzellen. Die maximale Leistung beträgt 6,3 V_DC bei 5,4 A, doch dank der Möglichkeit einer Reihenschaltung mehrerer Solarmodule können auch eine höhere Spannung, höherer Strom oder eine höhere Leistung bereitgestellt werden, je nach dem Bedarf des Sensornetzwerk-Gateways.  

Abbildung 1: Das Solarmodul von Parallax kann 34 Watt Strom liefern.

Um die Energie für das Netzwerkgateway nutzbar zu machen, kann ein Entwicklungskit für das solare Energy Harvesting wie das eZ430-RF2500-SEH von Texas Instruments verwendet werden. Das System regelt und speichert die zusätzliche Energie in einem Paar Dünnschichtbatterien, die im geladenen Zustand ausreichend Strom für mehr als 400 Übertragungen auch im Dunkeln liefern können. Die Batterien dienen dabei als Energiespeicher, die die Energie speichern, wenn die Anwendung sich im Schlafmodus befindet und es Licht zu „ernten“ gibt. Sie weisen eine sehr geringe Selbstentladung auf und eignen sich damit für Energy-Harvesting-Systeme. Dieses USB-basierte MSP430-Entwicklungstool für Wireless-Anwendungen wird komplett mit der erforderlichen Hard- und Software für den Mikrocontroller MSP430F2274 und 2,4-GHz-Wireless-Transceiver CC2500 geliefert. Es enthält eine USB-Debug-Schnittstelle, mit der in Echtzeit und innerhalb des Systems Debug- und Programmierarbeiten für den stromsparenden 16-MHz-Mikrocontroller MSP430 vorgenommen werden können; gleichzeitig handelt es sich hierbei um die Schnittstelle zur Übertragung von Daten von dem drahtlosen System zu einem Rechner. Mithilfe von integrierten Temperatur- und HF-Signalstärke-Anzeigen kann die Umgebung überwacht werden; darüber hinaus können weitere Daten mit vielen externen Sensoren erfasst werden.

Abbildung 2: Die Entwicklungskarte eZ430 für das Energy Harvesting von Texas Instruments kann entweder Solarzellen oder Thermogeneratoren im intelligenten Stromnetz unterstützen.

Die Karte kann über einen 6-Pin-Steckverbinder auch problemlos mit dem Wärmeenergie-Harvester WPG-1 von Laird Technologies verbunden werden. Der WPG-1 ist ein in sich geschlossener Dünnschicht-Wärmekraftgenerator, der sowohl für drahtlose Sensornetzwerke als auch für Gateways in einer Unterstation verwendet werden kann. Er kann bis zu 1,5 mW nützliche Ausgangsleistung bereitstellen und eine breite Palette von Widerstandslasten handhaben.

Der Generator nutzt einen Spannungsaufwärtswandler mit extrem niedrigem Energieverbrauch, um eine nützliche Ausgangsleistung bei Temperaturunterschieden von unter 20°K bereitzustellen. Damit eignet er sich für die Nutzung des Tempertaturunterschieds zwischen der Innen- und Außenseite eines Gebäudes. Die Ausgangsleistung kann auf drei Spannungssollwerte eingestellt werden: 3,3 V, 4,1 V oder 5,0 V, wobei die integrierte Platine über DIP-Schalter zum Einstellen der Ausgangsspannung verfügt. Elektrische Anschlüsse erfolgen über den auf der Platine befindlichen 2- oder 6-Pin-Steckverbinder, der mit der Entwicklungskarte eZ430 kompatibel ist.

Abbildung 3: Der WPG-1 von Laird Technologies erzeugt Strom aus einem Temperaturunterschied von nur 20°K.

Eine andere Möglichkeit ist der Bau eines speziellen Energiemanagementsystems, das eine Vielzahl von Energy-Harvestern handhaben kann. Der bq25570 von Texas Instruments beispielsweise wurde eigens für den effizienten Betrieb im Mikrowatt- und Milliwattbereich konzipiert, der typisch ist für DC-Quellen mit hoher Ausgangsimpedanz wie Solarzellen oder Thermoelektrik-Generatoren, ohne dabei diese Quellen zu stark zu belasten. Das Batteriemanagement in dem Gerät sorgt dafür, dass der Akku von dieser gewonnen Energie nicht zu stark aufgeladen wird, wenn die Spannung über die Sicherheitsgrenzen hinaus von einem Systemverbraucher erhöht oder aufgebraucht wird. Neben einem hocheffizienten Aufwärtslademodul verfügt der bq25570 über einen hocheffizienten Nano-Power-Abwärtswandler zum Bereitstellen einer zweiten Stromschiene für Systeme wie drahtlose Sensornetzwerke, die eine konstante Spannungsquelle benötigen.

Zudem implementiert der bq25570 ein Abtastnetzwerk mit programmierbarem Maximum Power Point Tracking (MPPT), um so die Übertragung des Stroms auf das Gerät zu optimieren. Der Teil der Leerlaufspannung, der abgetastet und gehalten wird, kann durch das Ziehen eines Pins auf High oder Low (80% bzw. 50%) oder durch Nutzung externer Widerstände gesteuert werden. Die abgetastete Spannung wird über eine interne Abtastschaltung aufrechterhalten und mit einem externen Kondensator gehalten.  Solarzellen beispielsweise arbeiten typischerweise mit einem Maximum Powert Point (MPP) von 80% ihrer Leerlaufspannung. Wenn also der MPPT-Grenzwert auf 80% gesetzt wird, kann das Gerät die Spannung an der Solarzelle regulieren, um so zu gewährleisten, dass die Spannung VIN-DC nicht unter eine bestimmte Spannung fällt. Es kann auch eine externe Referenzspannung verwendet werden, anhand derer ein externer Mikrocontroller einen komplexeren MPPT-Algorithmus implementiert.

Abbildung 4: Mit dem bq25570 von Texas Instruments kann ein optimierter Energiemanagement-Controller gebaut werden, der Maximum Power Point Tracking-Algorithmen für eine effiziente Energieabstimmung unterstützt.

Der bq25570 wurde so konzipiert, dass er mit einer Vielzahl von Energiespeicherelementen kompatibel ist, da die gewonnene Energie häufig sporadisch sein oder je nach Zeitpunkt variieren kann. Üblicherweise werden die Systeme irgendeine Art von Energiespeicherelement benötigen, z.B. Akkus oder Superkondensatoren, die eine konstante und sichere Stromversorgung des Systems gewährleisten und zudem etwaige Spitzenströme managen können. Um eine Beschädigung des Speicherelements zu vermeiden, werden sowohl die Höchst- als auch die Mindestspannung mit den intern festgelegten Unterspannungswerten und den benutzerprogrammierbaren Überspannungswerten abgeglichen. Hier kann dann eine Situation gemeldet werden, bei der die Spannung an einer Speicherbatterie oder einem Kondensator unter einen voreingestellten kritischen Wert fällt. Dies wiederum sollte eine Reduzierung der Lastströme auslösen, um so zu verhindern, dass das System eine Unterspannung aufweist.

All dies kommt in einem kleinen platzsparenden 20-poligen QFN-Gehäuse (RGR) mit den Maßen 3,5 mm x 3,5 mm. Das bedeutet, dass das Energiemanagementelement problemlos neben dem Energy-Harvester installiert werden kann.

Fazit

Die Verwendung von Energy-Harvestern zur Versorgung der verschiedenen Elemente eines intelligenten Stromnetzes kann Systemlieferanten und Energieversorgern erhebliche Vorteile bringen. Da hierbei weitaus seltener Batterien in drahtlosen Sensornetzwerken ausgetauscht werden müssen – oder ein Austausch komplett überflüssig wird –, können erhebliche Betriebskosten gespart werden. Energy Harvesting mithilfe von Solaranlagen oder Thermoelektrik-Generatoren kann – in Verbindung mit einem geeigneten Energiemanagement und entsprechenden Energiespeichern – eine wartungsfreie Stromversorgung sowohl des Netzwerks, das die grundlegenden Daten für das intelligente Stromnetz sammelt, als auch des Gateways, das die Daten sortiert und an die Betreiber übermittelt, gewährleisten.