RWTH Aachen entwickelt batterielose Sensorknoten für energieautarke Industrieanlagen

Am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen beginnt gemeinsam mit Vanguard Cybernetics das Forschungsprojekt „Zero Negative Energy“. Die Idee klingt zunächst fast widersinnig: Sensorknoten in der Industrie sollen ohne Batterien auskommen und ihren Strom stattdessen aus der Umgebung beziehen – sofern die Bedingungen dafür passen.

Gefördert wird das Vorhaben im Rahmen von „Grüne Gründungen.NRW“. Anfang September wurde der Förderbescheid in Düsseldorf übergeben. Entwickelt werden soll eine modulare Systemarchitektur für energieautarke, batterielose Sensorknoten im Industrial Internet of Things (IIoT), also für vernetzte Sensoren in Produktionsumgebungen.

Strom aus Vibration, Licht und Wärme

Das Grundprinzip heißt Energy Harvesting: Vibrationen, Wärme, Licht, Funkwellen oder Bewegung werden über einen Energiewandler in elektrische Energie umgewandelt. Typischerweise gehören dazu ein Transducer, ein Energiemanagement mit Speicher sowie das eigentliche Zielgerät – etwa Sensor, Mikrocontroller oder Funksender.

Die geplante Hardware-Software-Plattform des Projekts verbindet Ambient Energy Harvesting mit effizientem Energiemanagement, umweltverträglicher Energiespeicherung und Ultra-Low-Power-Mikrocontrollern. Herzstück ist der „Energy-Orchestrator“. Er passt Messungen, Datenverarbeitung und Funkkommunikation laufend an die gerade verfügbare Energie an. Auch Betriebsunterbrechungen und der anschließende Wiederanlauf sollen kontrolliert ablaufen.

Das ist nötig, weil die Energiequellen nicht brav rund um die Uhr liefern. Piezoelektrische Materialien können aus industriellen Vibrationen typischerweise 10 bis 100 µW/cm³ gewinnen – genug für intermittierende Messungen und Übertragungen. Thermoelektrische Systeme nutzen Temperaturunterschiede über den Seebeck-Effekt: Schon etwa 5 °C Differenz können nutzbare Energie liefern, in der Industrie sind häufig 20 bis 50 °C anzutreffen. Der typische Wirkungsgrad liegt bei 5 bis 10 Prozent.

Außenlicht kann mit Photovoltaik Milliwatt bis Watt pro cm² liefern. Für Innenräume nennt der zugrunde liegende Artikel für 2026 kommerzielle Perowskit-Zellen mit 32 bis 38 Prozent Wirkungsgrad bei 200 bis 500 Lux; frühere Technologien lagen bei 15 bis 25 Prozent. Ihre Lebensdauer soll mehr als fünf Jahre betragen. Funkwellen bringen meist nur Mikrowatt und eignen sich deshalb für sehr sparsame Geräte mit seltenen Übertragungen. Bewegte Wellen, Flüssigkeitsströme und rotierende Teile lassen sich über elektromagnetische oder triboelektrische Generatoren anzapfen.

Weniger Kabel, weniger Wartung

Bei der Nachrüstung bestehender Produktionsanlagen sind zusätzliche Versorgungsleitungen und Batteriewechsel echte Bremsklötze. Sitzt ein Sensor weit verteilt oder an einer schwer zugänglichen Stelle, wird aus einem kleinen Handgriff schnell ein Einsatz mit Werkzeug, Zeit und womöglich Produktionsstillstand. Fallen Ersatzbatterien sowie Material- und Wartungsaufwand weg, könnte das Retrofitting einfacher, flexibler und kompakter werden.

Energy Harvesting zielt genau auf solche Orte: keine regelmäßigen Batteriewechsel, keine Stromverkabelung, geringere Zugangs- und Wartungskosten. Gut ausgelegte Systeme können laut dem ergänzenden Fachartikel mehr als zehn Jahre wartungsfrei laufen; batteriebetriebene Systeme brauchen dagegen typischerweise alle ein bis drei Jahre einen Austausch. Bei größeren Installationen können die Gesamtbetriebskosten sinken. Die anfänglichen Mehrkosten werden mit etwa 15 bis 30 Prozent angegeben, eine Amortisierung könne nach ein bis zwei Jahren erreicht werden – vor allem an abgelegenen Standorten, wo Arbeits- und Ausfallkosten schwer wiegen.

Ganz ohne Speicher geht es allerdings meistens nicht. Nachts, bei fehlender Vibration oder während einer kurzen Hochlastphase muss Energie zwischengelagert werden. Superkondensatoren passen eher zu sehr niedrigen Leistungen und schnellen Lastspitzen, Akkus zu höheren Leistungen. Bei der Auswahl zählen Lebensdauer, Temperaturbereich und langfristige Alterung. In aktuellen Hybridsystemen speisen mehrere Quellen häufig über einen intelligenten PMIC einen Superkondensator; dynamische Priorisierung entscheidet, welche Quelle gerade genutzt wird.

Das WZL will die Plattform mit unterschiedlichen Sensoren und Funktechnologien kombinieren und in industriellen Anwendungsszenarien testen. Im Mittelpunkt stehen Energiehaushalt, Betriebsverhalten und Robustheit. Die Harvester müssen dabei korrekt ausgerichtet werden – etwa zur Vibrationsachse oder zur Lichtquelle. Gerade bei Nachrüstungen ist das räumlich und mechanisch knifflig. Mechanik, Elektronik und Software lassen sich hier nicht sauber in getrennte Schubladen stecken.

Der Mikroampere-Takt entscheidet

Energy Harvesting funktioniert vor allem bei Geräten, die im Schlafmodus nur Mikroampere benötigen und lediglich kurze Sendepulse im Milliampere-Bereich abgeben. Ein dauerhafter Verbrauch von mehr als etwa 10 mA ist mit den meisten Quellen nicht praktikabel. Die typische Größenordnung liegt bei industrieller Vibration bei 10 bis 100 µW/cm³, bei Innenlicht bei 10 bis 100 µW/cm², bei Thermoelektrik mit 10 °C Temperaturdifferenz bei 10 bis 100 µW/cm² und bei Außen-Solar im Bereich von Milliwatt bis Watt pro cm².

Power-Management-Schaltungen müssen schwankende Energiezufuhr abfedern. PMICs mit Maximum-Power-Point-Tracking und effizienten DC-DC-Wandlern können die Ausbeute verbessern. Mikrocontroller, Sensoren, Funkprotokolle und Firmware werden auf geringen Verbrauch getrimmt: Tiefschlaf, ereignisbasierte Messungen und geplante Aufwachzyklen ersetzen die Dauerüberwachung. Häufig reichen Messungen im Minuten- oder Stundenabstand. Alles andere wäre, salopp gesagt, energetisch ziemlich schnell ein Fass ohne Boden.

Eine Beispielrechnung mit Indoor-PV und Zigbee macht die Größenordnung greifbar. Eine Solarzelle mit 1,2 cm² soll unter durchschnittlicher Bürobeleuchtung etwa 2,5 mW liefern. Bei 10 cm² PV-Fläche und zehn Lichtstunden pro Tag werden laut Rechnung rund 750 J täglich gespeichert. Ein EFR32MG27 benötigt im Schlafmodus weniger als 10 µW; für das Gesamtsystem werden 200 µW durchschnittliche Schlafleistung angenommen. Ein fünfsekündiger Zigbee-Sendevorgang ermöglicht rechnerisch etwa 200 Übertragungen pro Stunde.

Wie stark die Funkwahl hineinspielt, zeigt der Vergleich bei 10 cm² Erntefläche und 200 µW Schlafleistung:

Die Zahlen bezeichnen durchschnittliche Übertragungen pro Stunde. Werte unter 1 gelten für einen kontinuierlichen Betrieb als nicht praktikabel. NB Cellular braucht in dieser Tabelle am meisten Energie, Bluetooth LE schafft die höchsten Übertragungszahlen. LoRaWAN, Zigbee und Bluetooth LE werden wegen niedriger Leistungsaufnahme und Schlafmodi als geeignet genannt; LoRaWAN spielt seine Stärke vor allem bei großen Reichweiten und kleinen Datenmengen aus. Entscheidend bleiben Reichweite, Datenvolumen und vorhandene Netzwerkinfrastruktur.

Ein Blick auf die Bahn – und auf 2026

Wie so ein Zusammenspiel aussehen kann, zeigt ein Beispiel aus der Bahnindustrie. ByteSnap entwickelte ein Backup-System zur Überwachung von Signalsystemen und zur Erkennung von Übertragungsfehlern. Wegen der Sicherheitsanforderungen durfte es weder Batteriewechsel benötigen noch an bestehende Bahnstromleitungen angeschlossen werden.

Stattdessen kombinierte das System Piezoelemente, die durch vorbeifahrende Züge angeregt wurden, mit Solarenergie und kleinen Windturbinen. Ein Analog Devices ADP5091 mit Superkondensator versorgte die LoRa-Sendepulse. So blieb der Betrieb auch dann möglich, wenn gerade keine Energie gewonnen wurde – etwa nachts.</p