Unsere Haushalte werden digitalisiert, der Arbeitsplatz automatisiert, die Mobilität zentralisiert – unser Alltag wird immer stärker von Maschinen, Automaten und Systemen bestimmt. Das alles kostet viel Strom. Energie Harvesting soll dafür sorgen, dass der Energieverbrauch sinkt.
Energie sparen heißt Geld sparen: Altbekanntes vs. Innovation
Natürlich gibt es viele altbekannte Tipps, die dazu raten, energiesparende Geräte zu verwenden und den eigenen Stromverbrauch generell bewusst im Auge zu behalten. Doch darüber hinaus beschäftigen sich clevere Wissenschaftler damit, bereits vorhandene Energie nicht einfach verpuffen zu lassen, sondern einfallsreich zu verwerten.
Privathaushalte haben aktuell zwei Optionen: Günstigen Tarif buchen und Energieverbrauch senken
Während die Politiker Fördergelder zur Entwicklung innovativer Technologien für nachhaltige Energienutzung versprechen, müssen Privathaushalte ohne staatliche Zuschüsse im kleinen Rahmen dafür sorgen, ihren Energiebedarf einerseits und die Kosten andererseits zu senken. Die Kostenschraube lässt sich auf zwei Arten bewegen: Einmal über den Strompreis, und zum anderen über den Verbrauch.
Der erste Schritt, den Verbraucher tun sollten, um den eigenen Geldbeutel zu entlasten, ist einen günstigen Stromtarif zu buchen. Stiftung Warentest wird auf der Website von Stromvergleich.de mit diesen Worten zitiert: „Wenn Sie von hohen Neukundenboni profitieren wollen, müssen Sie jährlich einen neuen Anbieter wählen.“ Nur so holen Verbraucher Jahr für Jahr das Optimum in wirtschaftlicher Hinsicht für sich raus.
Der zweite Schritt ist, den eigenen Energieverbrauch zu senken. Das bedeutet in der Praxis, dass Verbraucher energieeffiziente Geräte nutzen und ihr Verbrauchsverhalten anpassen. Das Bundesumweltamt hat hierzu vielfältige Hinweise, Broschüren und Tipps auf Umweltbundesamt.de veröffentlich.
Zukunftsweisend oder Irrglaube: Energie aus Haushaltsgeräten recyceln
Ein neuer Energiespartrend, der langfristig auch die Verbrauchskosten in Privathaushalten senken könnte ist Energy Harvesting. Dabei geht es für den Privatanwender darum, bereits vorhandene Energie aus der direkten Umgebung eines Toasters, einer Kaffeemaschine, eines Kühlschranks oder eines Herds nicht wirkungslos verpuffen zu lassen, sondern sie zu nutzen.
Was heißt Energy Harvesting?
Der Ausdruck Energy Harvesting (Energie Ernte) wird synonym zu den Begriffen Power Harvesting, Energy Scavenging (=Plünderung) und Ambient Energy Harvesting verwendet, auch wenn sich bei genauerer Betrachtung Unterschiede offenbaren. In der Regel geht es darum, Energie aus der unmittelbaren Umgebung eines elektrischen Geräts zu gewinnen und zu nutzen. Dabei kommen die folgenden Energiequellen in Betracht:
- Rotation
- Lineare Bewegung
- Vibration/Stöße
- Windströmungen
- Wasserströmungen
- Wärmeströmungen
- Licht
- Temperaturdifferenzen
- Funkwellen
- Schall
Gelebte und allseits bekannte Praxis für die intelligente Nutzung in der Natur vorhandener Energie stellen zum Beispiel Aufwindkraftwerke oder Solaranlagen dar. Diese Dimensionen sind mit dem Konzept des Energy Harvesting nicht gemeint. Beim Energy Harvesting geht es um wesentlich kleinere Dimensionen. Das Prinzip ist zwar ähnlich – vorhandene Energie nutzen -, doch im Detail unterscheiden sich die Ansätze voneinander, wie die folgenden Beispiele zeigen.
Überraschende Beispiele aus der Wissenschaft
Einen Schritt in Richtung Biophysik gehen die Wissenschaftler, die aus Körperflüssigkeiten Energie gewinnen und diese sinnvoll verwenden. Forscher haben Biobrennstoffzellen entwickelt, die aus Schweiß Strom erzeugen. Die Biobrennstoffzelle sieht aus wie ein großes Pflaster und sie besteht aus kleinen flachen Goldscheiben. Die eine Hälfte der Goldscheiben sind Anoden, die andere Kathoden. Miteinander verdrehte Golddrähte verbinden die einzelnen Goldpunkte. Dadurch wird das Pflaster elastisch.
Es wird beispielsweise auf den Unterarm aufgeklebt. Ein Enzym in der Brennstoffzelle lässt die Milchsäure in der Schweißflüssigkeit oxidieren. Die freiwerdende Energie wird in Strom verwandelt und dem MP3-Player oder dem Fitnesstracker am Handgelenk zugeführt. Bislang sind die Biobrennstoffzellen noch in der Testphase. Ein amerikanisches Forscherteam rund um Amay Bandodkar hat einen Prototyp entwickelt, der allerdings noch nicht serienreif ist (Stand Dezember 2018). Ihr innovatives Projekt wurde unter anderem im renommierten Journal „Energy & Environmental Science” vorgestellt. Ein Interview mit der Wissenschaftlerin ist unter Siebelscholars.com zu finden.
Sobald das energieumwandelnde Pflaster im Handel erhältlich ist, bedeutet das für Privatpersonen: Nie wieder den Akku eines Smartphones, einer Smartwatch oder anderer Kleingeräte über die Steckdose aufladen. Mit Blick auf die steigende Zahl smarter Wearables ist das eine sehr gute Nachricht, denn das spart global betrachtet enorm viel Energie.
Perpetuum mobile: Der sich selbst aufladende Kamerasensor
Hobbyfotografen wissen, wie hoch der Energiebedarf einer komplexen Kamera ist. Sie müssen ihr Gerät regelmäßig aufladen, um ihrem Hobby unbeschwert nachgehen zu können. Kein Strom – keine Fotos, so ließe sich die Situation auf den Punkt bringen. Nun arbeitet eine Gruppe um den Forscher Euisik Yoon, dessen wissenschaftliches Profil unter Mcircc.umich.edu einsehbar ist, an der Universitiy von Michigan in Ann Arbor an einer Kamera, die Fotos liefert, ohne den Akku über eine externe Stromquelle aufladen zu müssen. An diesem Problem haben sich in der Vergangenheit bereits zwei andere Wissenschaftler-Teams versucht: Eine Gruppe verfolgte den Ansatz, einen Teil der Sensorfläche für Fotovoltaik einzusetzen. Darunter litt aber die Bildqualität, weil nun zu wenig Licht absorbiert wurde. Der zweite Ansatz sah die wechselnde Nutzung der Sensorfläche vor. Der Sensor fungierte einmal als Bildsensor und einmal als Solarzelle. Das Problem war, dass das System dadurch sehr komplex und teuer wurde und dass weniger Bilder aufgenommen werden konnten.
Das neue Konzept hingegen eröffnet die Möglichkeit, dass nicht nur der Sensor und der Prozessor mit Strom versorgt werden, sondern auch, dass ein WLAN-Chip dazu befähigt wird, Bilder zu übertragen. Zu diesem Zweck nimmt die Bildsensorfläche Licht auf und verwandelt sie in elektrische Signale. Eine zusätzliche Solarzelle nimmt Licht auf und verwandelt sie in elektrischen Strom. In Kombination ergibt das einen Sensor, der sich selbst mit Strom versorgt. Der Prototyp liefert bis zu 15 Bilder pro Sekunde. Hinter diesen Angaben steckt der Fakt, dass es sich bei der Entwicklung um einen Bildsensor mit der bislang höchsten Leistungsdichte im Energy Harvesting Sektor handelt.
In der Praxis bedeutet das: Scheint die Sonne hell vom Himmel mit durchschnittlich 60.000 lx, leistet der Sensor 15 Bilder pro Sekunde. Normales Tageslicht zwischen 20.000 und 30.000 lx senkt die Bildrate auf 6-8 Bilder pro Sekunde. Hobbyfotografen und auch professionelle Fotografen könnten mithilfe des Kombinationssensors weltweit viel Energie einsparen. Wenn das Forscherteam rund um Yoon die Entwicklung bis zur Marktreife bringt, könnten schon bald Kameras Schule machen, die ohne externe Energiezufuhr leistungsfähig arbeiten. Für den Hobbybereich würde das Entwicklungslevel auch heute schon vermutlich ausreichen.
