Autonome Sensoren

Am ABB Forschungszentrum in Ladenburg beschäftigt sich ein Team von Wissenschaftlern mit sogenannten „autonomen Geräte“, also mit Feldgeräten (wie beispielsweise Temperatur-, Druck- oder Durchflussmessern) bei denen sowohl die Datenübertragung, als auch die Energieversorgung drahtlos funktioniert. Dabei liegt der Fokus neben der Energieoptimierung („Low-Power“-Technologie) auch auf der Evaluierung und Aufschlüsselung sogenannter „Energy Harvesting“-Technologien. Ziel ist dabei die Entwicklung einer neuen Generation intelligenter, drahtloser und energieautonomer Feldgeräte und Sensoren, welche nicht nur einen deutlich flexibleren Einsatz beim Kunden ermöglichen, sondern auch helfen, den Energieverbrauch und damit die Kosten nachhaltig zu senken.

Drahtlose Geräte haben in den vergangenen Jahren Einzug in nahezu allen industriellen Bereichen gehalten. Auch in der Prozessindustrie bietet der Einsatz drahtloser Feldgeräte zahlreiche Vorteile. Sie erlauben einen deutlich flexibleren Einsatz, da sie nicht an eine kabelgebundene Energieversorgung gekoppelt sind. So können sie beispielsweise in nur schwer zugänglichen Anlagen und Bereichen zum Einsatz kommen, in denen eine konventionelle Verkablung unmöglich ist oder nur mit erheblichem Aufwand zu realisieren wäre. Zusätzlich sind sie eine kostengünstige Alternative, vor allem bei der zusätzlichen oder nachträglichen Ausstattung mit Feldgeräten: Abhängig vom Einsatzgebiet beträgt die Anschaffung eines solchen Geräts gerade einmal 10 Prozent der gesamten Installations- und Inbetriebnahmekosten, die maßgeblich durch die Verkabelung entstehen.

Moderne, drahtgebundene Feldgeräte ermöglichen schon heute neben dem Versenden der eigentlichen Messgröße (zum Beispiel der Temperatur oder des Drucks) den Zugriff auf zahlreiche Zusatz- und Diagnoseinformationen. Mit Hilfe des digitalen „HART“ Kommunikationsprotokolls ist es beispielsweise möglich, Feldgeräte direkt aus der Leitwarte heraus zu konfigurieren oder zusätzliche Gerätedaten abzufragen. Aus diesen können dann Rückschlüsse auf den Zustand des Gerätes gezogen werden, um gegebenenfalls eine notwendige Wartung oder einen Austausch zu einem geeigneten Zeitpunkt zu veranlassen. Solche Diagnoseinformationen erlauben einem überraschenden Ausfall des Gerätes vorzubeugen und tragen damit zu einem optimierten Anlagenbetrieb bei. Des Weiteren können zusätzliche Informationen über den Prozess gewonnen werden, um die Regelung weiter zu verbessern. Drahtlose Feldgeräte sollten daher die Vorteile der drahtlosen, flexiblen Kommunikation mit dieser digitalen Technik vereinen. Das sogenannte „wireless HART“-Protokoll setzt hierzu einen Standard für sichere und robuste Funktechnik nach industriellen Anforderungen.
Drahtlose Feldgeräte arbeiten demnach mit digitaler Funktechnologie und benötigen keinerlei Kabel zum Datentransfer. Die größte Herausforderung liegt daher auf der zuverlässigen und drahtlosen Energieversorgung der Geräte über einen möglichst langen Zeitraum. Man spricht dann auch von „autonomen“ Geräten, die ohne jegliche Kabelanbindung funktionieren.

Dies erfordert zunächst die kompromisslose Optimierung dieser Geräte auf einen möglichst niedrigen Energieverbrauch. Meist stellen dann klassische Batterien (Primärzellen) einen akzeptablen Kompromiss zwischen Lebensdauer auf der einen sowie Größe und Kosten auf der anderen Seite dar. Typischerweise lässt sich je nach Energieverbrauch des Geräts mit Primärzellen aber nur eine Lebensdauer von maximal zehn Jahren erreichen, da dann Effekte wie Selbstentladung durch Alterung eine zunehmend dominante Rolle spielen. Gewünscht sind jedoch Lebensdauern von bis zu 20 Jahren. Um diesem Wunsch gerecht werden zu können, müssen demnach alternative Möglichkeiten gefunden werden, Feldgeräte mit Energie zu versorgen.

Eine Möglichkeit besteht darin, nicht genutzte Energie aus der Umgebung oder sogenannte „parasitäre“ Energie direkt aus dem Prozess in elektrische Energie umzuwandeln und zur Versorgung des Geräts zu nutzen. Diese Technik wird als „Energy Harvesting“ bezeichnet. Hierbei gibt es verschiedene Energieformen, die genutzt werden können. Die für das „Energy Harvesting“ verwendeten physikalischen Effekte sind dabei oft schon seit langer Zeit bekannt. Im Folgenden werden einige prominente Beispiele kurz vorgestellt.

Mit Hilfe des photovoltaischen Effekts lässt sich solare Einstrahlung in elektrische Energie umwandeln. Solche Solarzellen sind bereits in unterschiedlichen Branchen als Energiequelle im Einsatz. Ihre Verwendung ist dabei jedoch meist auf Geräte im Außenbereich beschränkt.

Oftmals bilden sich in der Nähe von warmen Prozessen (beispielsweise chemischen Prozessen oder Fernwärme) Temperaturdifferenzen aus, die mit Hilfe von thermoelektrischen Generatoren in eine elektrische Spannung umgewandelt werden können. Dieser auf dem „Peltier-Seebeck-Effekt“ basierende Mechanismus eignet sich hervorragend zum Einsatz als „Energy Harvesting“-System, das damit das autonome Feldgerät mit Energie versorgen kann. Durch Fortschritte in der Fertigungstechnik, besonders durch den Einsatz von Mikrosystemtechnik, war es in den vergangenen Jahren möglich, diese thermoelektrischen Generatoren von einer Fläche in der Größenordung von Quadratzentimetern auf wenige Quadratmillimeter zu verkleinern, was eine vollständige Integration der Bauteile in das Feldgerät ermöglicht.
Viele Prozesse sind mit mechanischen Schwingungen und Vibrationen verbunden. Diese können mit „Vibrations-Harvestern“ ebenfalls in elektrische Energie umgewandelt werden. Solche Systeme basieren meist auf induktiven oder piezo-elektrischen Wirkmechanismen. Die damit erzeugte Energie kann ebenso verwendet werden, um angrenzende Sensoren und Feldgeräte zu versorgen.

Vor allem aufgrund der erwarteten gesteigerten Nachfrage an drahtlosen Feldgeräten und Sensoren werden solche durch „Energy Harvesting“ gestützte Systeme die klassischen auf Batterietechnik basierenden Geräte ergänzen. Die Vorteile liegen dabei klar auf der Hand: Deutlich geringere Wartungskosten da keine Batterien ausgetauscht werden müssen und demnach längere Lebens- und Laufzeiten der Geräte. Außerdem kann auf große Mengen von Batterien verzichtet werden, was zusätzlich dazu beiträgt, die Umwelt zu schonen.


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Drahtlose Feldgeräte versprechen ein hohes Einsparpotenzial, besonders bei Installation und Inbetriebnahme.

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Bei der Nutzung von Abwärme aus dem Prozess zur Energiegewinnung spielt die Kühlung der Thermoelemente eine entscheidende Rolle. Diese Art der Energieerzeugung bietet sich vor allem bei Temperatursensoren an.