Umweltenergie: Wie Geräte ohne Akku funktionieren und wo sie heute eingesetzt werden

Umweltenergie spielt eine immer größere Rolle, wenn es um Geräte ohne Akku geht. Während moderne Elektronik wie Smartphones, Sensoren und smarte Geräte meist auf Batterien oder Akkus angewiesen ist, gibt es eine wachsende Klasse von Geräten, die ihre Energie direkt aus der Umgebung beziehen - ganz ohne herkömmliche Energiespeicher.

Was versteht man unter "Umweltenergie" in der Elektronik?

Im Kontext der Elektronik bezeichnet Umweltenergie winzige Energieströme, die permanent in unserer Umgebung vorhanden sind, aber normalerweise ungenutzt bleiben. Es handelt sich dabei nicht um separate Energiequellen, sondern um Nebenprodukte physikalischer Prozesse wie Licht, Wärme, Bewegung oder elektromagnetische Wellen.

Meistens bewegen sich diese Energiemengen im Bereich von Mikrowatt oder sogar Nanowatt - viel zu wenig für herkömmliche Elektronik, aber ausreichend für ultraniedrigstromige Geräte. Deshalb werden solche Technologien vor allem dort eingesetzt, wo der Energieverbrauch auf ein absolutes Minimum reduziert ist.

• Licht (natürlich oder künstlich)
• Temperaturdifferenzen
• Vibrationen und mechanische Schwingungen
• Hochfrequenzsignale
• Bewegung von Luft oder Flüssigkeiten

All diese Quellen sind instabil und unvorhersehbar. Deshalb werden Geräte mit Mikroenergieversorgung als asynchrone, ereignisgesteuerte Systeme konzipiert, die Energie in kleinen Kondensatoren speichern und nur dann aktiv sind, wenn genug Energie für eine Aufgabe - etwa eine Messung oder Signalübertragung - vorhanden ist.

Wie funktionieren Geräte ohne Akku?

Geräte ohne Akku arbeiten nicht kontinuierlich. Sie sammeln winzige Energiemengen und führen Aktionen nur aus, wenn ausreichend Energie vorhanden ist. Statt einer Batterie nutzen sie kleine Kondensatoren oder Superkondensatoren als temporären Speicher.

Sobald Energie - etwa aus Licht, Vibration oder Funksignalen - zur Verfügung steht, wird sie gesammelt. Ist der Schwellenwert erreicht, "erwacht" das Gerät, erledigt eine Aufgabe und schaltet sich wieder ab. Je nach Umweltbedingungen kann dieser Zyklus Sekunden, Minuten oder Stunden dauern.

Essentiell ist dabei der extrem geringe Energiebedarf moderner Mikrocontroller, Sensoren und Funkmodule. Die meisten dieser Geräte verbringen den Großteil der Zeit im Tiefschlafmodus und verbrauchen nahezu keine Energie.

Auch die Software ist stark vereinfacht: Keine Hintergrundprozesse, keine dauerhaften Verbindungen, keine komplexen Berechnungen. Jede Operation wird mit Blick auf das Energie-Budget geplant: Wie viel Energie braucht die Messung? Wie viel die Datenübertragung? Reicht der vorhandene Vorrat?

Solche Geräte verhalten sich daher nicht wie klassische Elektronik, sondern sind reaktive Systeme, die nur dann existieren, wenn die Umwelt genügend Energie für eine Aktion bereitstellt.

Typische Energiequellen für Mikroenergieversorgung

Für Mikroenergieversorgung werden Energiequellen genutzt, die in der Umgebung ständig, aber nur in sehr kleinen Mengen vorhanden sind. Jede hat ihre Stärken, Schwächen und spezifischen Einsatzbereiche:

• Licht: Miniaturisierte Solarzellen liefern Energie aus Sonnen- oder Kunstlicht. Sogar schwaches Raumlicht kann reichen, um gelegentliche Messungen oder Signalübertragungen zu ermöglichen. Im Dunkeln entfällt diese Quelle jedoch komplett.
• Wärme: Thermoelektrische Elemente erzeugen Strom bei Temperaturdifferenzen, z. B. zwischen Gehäuse und Umgebungsluft. Die gewonnene Energie ist gering, aber stabil, sofern der Gradient erhalten bleibt.
• Vibrationen: Piezoelemente wandeln mechanische Schwingungen in Strom um. Diese Methode eignet sich besonders in der Nähe von Maschinen, Fahrzeugen oder Industrieanlagen. Fehlen die Vibrationen, fällt auch die Energiequelle weg.
• Funkenergie: Umgebungsenergie aus Funkwellen wie WLAN, Mobilfunk oder Rundfunk. Die Leistung ist minimal, kann aber für ultraniedrigstromige Geräte ausreichen, um sporadisch Daten zu senden.
• Strömungen: Bewegung von Luft oder Flüssigkeiten wird seltener genutzt, kann aber in Lüftungssystemen oder Rohrleitungen sinnvoll sein. Diese Quellen sind ebenfalls unregelmäßig, können aber andere Methoden ergänzen.

Keine dieser Energiequellen ist universell. In der Praxis werden oft mehrere Ansätze kombiniert, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen und die Abhängigkeit von einzelnen Faktoren zu reduzieren.

Warum ist Umweltenergie so begrenzt?

Der Hauptgrund für die geringe Umweltenergie sind physikalische Gesetze: Die Energiedichte der meisten Quellen ist im Alltag extrem niedrig. Raumlicht, schwache Vibrationen, Funksignale und Temperaturunterschiede enthalten um ein Vielfaches weniger Energie, als selbst einfache elektronische Geräte benötigen.

Hinzu kommen Verluste bei der Umwandlung: Solarzellen, Thermoelemente und Piezoelemente können jeweils nur einen Teil der verfügbaren Energie in Strom umwandeln, der Rest geht als Wärme oder durch mechanische Verluste verloren.

Auch die Instabilität der Quellen spielt eine Rolle - Licht verschwindet, Vibrationen hören auf, Funksignale schwanken. Damit ist eine kontinuierliche Versorgung unmöglich, was komplexe Speicher- und Steuerlogik erfordert.

Schließlich gibt es einen Mindestwert, den elektronische Komponenten benötigen, um zu funktionieren. Solange dieser nicht erreicht ist, bleibt das Gerät inaktiv.

Mikroenergieversorgung ist daher kein vollständiger Ersatz für Batterien, sondern ein Kompromiss, der nur bei stark vereinfachten, selten aktiven Aufgaben funktioniert.

Wo werden Geräte ohne Batterien bereits eingesetzt?

Geräte ohne Akku finden dort Anwendung, wo Wartung oder Batteriewechsel unmöglich oder unwirtschaftlich sind - etwa bei Sensoren an schwer zugänglichen Orten oder in großen Stückzahlen.

In der Industrie dienen sie zum Monitoring von Maschinenzuständen: Vibrations-, Temperatur- oder Drucksensoren werden direkt durch die beim Betrieb entstehenden Schwingungen oder Temperaturdifferenzen versorgt. So lassen sich Daten ohne Verkabelung oder regelmäßige Wartung erfassen.

Im IoT-Bereich (Internet der Dinge) übertragen solche Geräte periodisch einfache Informationen - zum Beispiel, ob ein Fenster geöffnet ist oder sich die Beleuchtung geändert hat. Es genügt, alle paar Minuten oder Stunden eine kurze Nachricht zu senden.

In der Logistik und Lagerhaltung ermöglichen selbstversorgende Sensoren die jahrelange Überwachung von Lagerbedingungen in Kartons oder Containern. Sie werden nur bei Änderungen der Umweltparameter aktiv.

Auch in Smart Buildings und der Infrastruktur werden diese Technologien eingesetzt, um Sensoren in Wänden, Decken oder Lüftungssystemen ohne Batteriewechsel zu betreiben. Das senkt Wartungskosten und erhöht die Zuverlässigkeit.

Allen Anwendungen gemeinsam ist ein minimaler Datenumfang und seltene Aktivierung. Für permanente Kommunikation sind diese Geräte nicht gedacht, aber sie eignen sich ideal für Überwachungs- und Signalisierungsaufgaben.

Grenzen und Potenzial der Technologie

Mikroenergieversorgung ist durch den sehr kleinen Energiebudget streng limitiert. Selbst unter Optimalbedingungen reicht die Energie meist nur für einfache Aufgaben wie eine Einzelmessung oder eine kurze Signalübertragung.

Geräte ohne Akku können keine permanente Verbindung halten, keine komplexen Berechnungen durchführen und keine hohen Datenraten unterstützen. Jede Zusatzfunktion erhöht den Strombedarf und macht den Betrieb unter realen Bedingungen unmöglich.

Die Abhängigkeit von der Umwelt ist ebenfalls ein entscheidender Faktor: Fällt die Energiequelle weg, arbeitet das Gerät nicht weiter - ein normales Verhalten, das jedoch den Einsatz in kritischen Anwendungen einschränkt.

Trotzdem eignet sich die Technologie hervorragend für Anwendungen, bei denen Autonomie, Wartungsfreiheit und Langlebigkeit wichtiger sind als Performance. Gerade in groß angelegten Systemen, wo Batteriewechsel logistisch aufwendig wäre, bietet Mikroenergieversorgung große Vorteile.

Sie ersetzt klassische Batterien nicht, sondern ergänzt sie dort, wo ultraniedrigstromige und selten aktive Geräte gefragt sind.

Die Zukunft der Mikroenergieversorgung

Die Weiterentwicklung hängt weniger von neuen Energiequellen als vielmehr von sinkendem Energiebedarf der Elektronik ab. Je effizienter ein Gerät, desto vielfältiger die Einsatzmöglichkeiten für Energy Harvesting.

Hybride Lösungen, die Mikroenergie mit Mini-Speichern kombinieren, werden voraussichtlich an Bedeutung gewinnen, um die Schwankungen der Umweltquellen auszugleichen und die Betriebssicherheit zu erhöhen.

Speziell entwickelte Kommunikationsprotokolle und ultrastromsparende Funkmodule, die den Datentransfer auf das Nötigste begrenzen, verändern bereits heute die Entwicklung von Sensoren und dezentralen Überwachungssystemen.

Langfristig wird Mikroenergieversorgung zum Standard für Anwendungen, bei denen Autarkie und Langlebigkeit wichtiger sind als Leistung. Geräte ohne Akku werden die klassische Elektronik nicht ersetzen, aber eine feste Rolle in der Infrastruktur der Zukunft spielen.

Fazit

Umweltenergie zur Mikroenergieversorgung ist kein Versuch, Batterien um jeden Preis zu ersetzen, sondern eine ingenieurtechnische Antwort auf die Grenzen der Skalierbarkeit moderner Elektronik. Überall dort, wo Wartung unmöglich oder zu teuer ist, wird das Sammeln von Energie aus der Umgebung zur praktikablen Lösung.

Diese Technologien erfordern ein Umdenken: Weg von kontinuierlichem Betrieb, hin zu vereinfachter Logik und der Akzeptanz von Instabilität als Normalfall. Im Gegenzug bieten sie Autonomie, Langlebigkeit und minimalen Wartungsaufwand.