Die IoT-Revolution mit Energie versorgen: Energy Harvesting & Ultra-Low-Power-Lösungen auf der WIoT Tomorrow 2025

Das Versprechen des Internets der Dinge (IoT) – Milliarden vernetzter Geräte, die Daten sammeln, Prozesse automatisieren und beispiellose Intelligenz schaffen – hängt von einer fundamentalen Herausforderung ab: der Energieversorgung. 

Während sich die drahtlose Konnektivität dramatisch weiterentwickelt hat, begrenzt die Abhängigkeit von herkömmlichen Batterien oft den Umfang der Bereitstellung, die Lebensdauer der Geräte, die Möglichkeiten der Bauform und die ökologische Nachhaltigkeit. 

Der Austausch von Batterien in potenziell Tausenden oder Millionen von eingesetzten Sensoren an abgelegenen Orten, in eingebetteten Strukturen oder sogar im menschlichen Körper ist oft unpraktisch, kostspielig oder schlichtweg unmöglich.

Dieser „Batterie-Engpass“ treibt intensive Innovationen in zwei kritischen Bereichen voran: Energy Harvesting (EH) und Ultra-Low Power (ULP)-Design. Energy-Harvesting-Technologien zielen darauf ab, Umgebungsenergie aus Quellen wie Licht, Vibration, Wärme oder Funkwellen zu gewinnen und in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln, um Batterien zu ergänzen oder vollständig zu ersetzen. 

Ergänzend dazu konzentriert sich das ULP-Design darauf, den Stromverbrauch jeder Komponente innerhalb eines IoT-Geräts – vom Mikrocontroller und den Sensoren bis hin zum Funkmodul selbst – zu minimieren und so die Betriebsdauer auch mit begrenzten Energiequellen drastisch zu verlängern.

„Wirklich autonome 'Deploy-and-forget'-IoT-Systeme erfordern einen Paradigmenwechsel im Energiemanagement. Energy Harvesting in Verbindung mit extrem stromsparendem Design ist nicht mehr nur Optimierung; es wird zu einer grundlegenden Anforderung“, erklärt Dr. Elina Petrova, Spezialistin für Embedded Power Systems.

Die Beherrschung dieser Techniken ist entscheidend für Ingenieure und Designer, die nachhaltige, langlebige und kosteneffiziente vernetzte Lösungen entwickeln möchten. 

Die WIoT Tomorrow 2025 ist der unverzichtbare Ort, um die neuesten Entwicklungen bei Energy-Harvesting-Komponenten, hochentwickelten Power-Management-ICs (PMICs), Ultra-Low-Power-Mikrocontrollern und -Funkmodulen zu erkunden und das für die Realisierung autarker oder extrem langlebiger IoT-Systeme erforderliche Integrations-Know-how zu erlangen.

Der Vorstoß zu Energieautonomie und extremer Energieeffizienz wird durch mehrere Schlüsselfaktoren getrieben, die die IoT-Landschaft prägen:

• Verlängerung der Betriebsdauer: Der Batteriewechsel ist oft der größte einzelne Betriebskostenfaktor bei großen IoT-Implementierungen. EH kann die Lebensdauer von Geräten von Monaten auf Jahre oder sogar unbegrenzt verlängern, wodurch der Wartungsaufwand und die Gesamtbetriebskosten (TCO) drastisch reduziert werden.
• Ermöglichung von Fern- & unzugänglichen Einsätzen: Viele wertvolle IoT-Anwendungen beinhalten die Platzierung von Sensoren an Orten, an denen ein Batteriewechsel schwierig oder unmöglich ist – entlegene landwirtschaftliche Felder, im Inneren von Strukturen (Smart Buildings), eingebettet in Maschinen (industrielle Überwachung) oder sogar medizinische Implantate. EH macht diese Anwendungen realisierbar.
• Nachhaltigkeit & Umweltaspekte: Die Reduzierung der Abhängigkeit von Einwegbatterien minimiert gefährlichen Abfall und steht im Einklang mit wachsenden unternehmerischen und regulatorischen Anforderungen an nachhaltige Technologielösungen.
• Miniaturisierung & Formfaktor: Das Eliminieren oder Verkleinern der Batterie ermöglicht kleinere, flexiblere und weniger aufdringliche IoT-Gerätedesigns, was für Wearables, Smart Labels und eingebettete Sensoren entscheidend ist.
• Erschließung neuer Anwendungen: Bestimmte Anwendungen, wie hochfrequente Sensormessungen an entfernten Standorten oder dauerhaft „eingeschaltete“ Umweltmonitore, werden erst dann machbar, wenn kontinuierlich Energie ohne häufigen Batteriewechsel zuverlässig bereitgestellt werden kann.
• Verbesserung der Zuverlässigkeit: Unerwarteter Batterieausfall kann zu kritischem Datenverlust führen. EH-Systeme, oft gepaart mit kleinen Speicherelementen, können einen vorhersagbareren und zuverlässigeren Langzeitbetrieb bieten.

Energie existiert überall um uns herum in verschiedenen Formen. Energy-Harvesting-Technologien konzentrieren sich auf die effiziente Erfassung und Umwandlung dieser Umgebungsenergie:

• Solar / Photovoltaik (PV): Gewinnung von Lichtenergie (Sonnenlicht oder sogar Innenraumlicht) mittels Solarzellen. Dies ist eine der ausgereiftesten EH-Quellen mit der höchsten Leistungsdichte, geeignet für Außenanwendungen oder gut beleuchtete Innenräume. Zu den Fortschritten gehören hocheffiziente Indoor-PV-Zellen, die für künstliche Lichtspektren optimiert sind, sowie flexible/druckbare Solarmaterialien.
• Thermische Energie (Thermoelektrische Generatoren - TEGs): Nutzung von Temperaturunterschieden (Gradienten) zwischen zwei Oberflächen durch den Seebeck-Effekt. TEGs können Energie aus Abwärme in industriellen Prozessen, Körperwärme für Wearables oder Temperaturdifferenzen zwischen Maschinen und der Umgebung erzeugen. Die Effizienz hängt stark von der Größe des Temperaturunterschieds ab.
• Vibrations- / Kinetische Energie (Piezoelektrisch & Elektromagnetisch): Umwandlung mechanischer Schwingungen, Bewegungen oder Stöße in elektrische Energie. Piezoelektrische Materialien erzeugen Spannung unter mechanischer Belastung, während elektromagnetische Harvester die Bewegung von Magneten relativ zu Spulen nutzen. Anwendungen umfassen die Zustandsüberwachung an vibrierenden Maschinen, die Überwachung der Infrastrukturintegrität und durch menschliche Bewegung angetriebene Wearables. Die Herausforderung besteht darin, die Resonanzfrequenz des Harvesters an die der Umgebungsvibration anzupassen.
• HF-Energy Harvesting: Erfassung von Energie aus umgebenden Hochfrequenzwellen (z. B. WLAN, Mobilfunksignale, dedizierte HF-Sender). Obwohl dies typischerweise sehr geringe Leistungspegel liefert, ist HF-Harvesting interessant für extrem stromsparende Sensoren oder Tag-Anwendungen, die potenziell batterielose Kommunikation über kurze Distanzen oder "Wake-up"-Funktionalitäten ermöglichen, die durch ein HF-Signal ausgelöst werden.

Ein funktionales Energy-Harvesting-System erfordert das Zusammenspiel mehrerer Schlüsselkomponenten:

1. Wandler/Harvester: Das Kernelement, das die Umgebungsenergiequelle (Licht, Wärme, Vibration, HF) in rohe elektrische Energie umwandelt (z. B. PV-Zelle, TEG, piezoelektrisches Element).
2. Power Management Integrated Circuit (PMIC): Das entscheidende „Gehirn“ des Systems. EH-spezifische PMICs sind darauf ausgelegt:
   • Niedrige & Variable Eingänge zu verarbeiten: Effizientes Management der oft winzigen und schwankenden Leistungspegel, die von Harvestern erzeugt werden.
   • Spannung zu erhöhen/regeln: Umwandlung der niedrigen Eingangsspannung in eine stabile, nutzbare Spannung für die Last (IoT-Gerät) und das Speicherelement.
   • Maximum Power Point Tracking (MPPT): Für Quellen wie PV kontinuierliche Anpassung des Betriebspunkts, um unter variablen Bedingungen die maximal mögliche Leistung zu extrahieren.
   • Energiespeichermanagement: Intelligentes Laden und Schützen des Energiespeicherelements (Batterie oder Superkondensator), Verhinderung von Überladung oder Tiefentladung.
   • Ultra-niedriger Ruhestrom: Verbrauchen selbst minimalen Strom, wenn das System im Leerlauf ist.
3. Energiespeicherelement: Da Umgebungsenergie oft intermittierend oder für Spitzenlasten unzureichend ist, wird normalerweise ein Speicherelement benötigt:
   • Wiederaufladbare Batterien (Li-Ion, Dünnschicht): Bieten hohe Energiedichte, haben aber eine begrenzte Zyklenlebensdauer und potenzielle Umweltbedenken. Dünnschichtbatterien bieten flexible Formfaktoren.
   • Superkondensatoren (EDLCs): Bieten eine sehr hohe Zyklenlebensdauer (Millionen Zyklen), schnelles Laden/Entladen und breite Temperaturbereiche, aber eine geringere Energiedichte als Batterien. Werden oft in Kombination mit oder anstelle von Batterien für EH-Anwendungen verwendet.
   • Hybridlösungen: Kombination von Batterien und Superkondensatoren, um die Vorteile beider zu nutzen.
4. Die Last: Das eigentliche IoT-Gerät (MCU, Sensoren, Funkmodul), das die gewonnene und gespeicherte Energie verbraucht. Die Optimierung des Stromverbrauchs der Last ist von größter Bedeutung.

Die Ausstellungsfläche und die Konferenz-Sessions werden reich an Komponenten sein, die Energy Harvesting und ULP-Systeme ermöglichen:

• Fortschrittliche PV-Zellen: Hocheffiziente Indoor-PV-Zellen, flexible Solarfolien und kompakte Solarmodule, zugeschnitten auf IoT-Energieanforderungen.
• Thermoelektrische Generatoren (TEGs): Module, optimiert für verschiedene Temperaturdifferenzen und Formfaktoren, einschließlich flexibler TEGs.
• Piezoelektrische & Vibrations-Harvester: Geräte, abgestimmt auf spezifische Frequenzbereiche, MEMS-basierte Harvester und elektromagnetische Generatoren zur Umwandlung kinetischer Energie.
• HF-Harvesting-ICs & Antennen: Komponenten zur Erfassung von HF-Umgebungsenergie oder Energie von dedizierten Leistungssendern.
• EH-spezifische PMICs: Die kritische Komponente – achten Sie auf PMICs mit ultra-niedriger Anlaufspannung, hoher Umwandlungseffizienz bei geringer Eingangsleistung, integriertem MPPT, flexiblem Speichermanagement (unterstützt Batterien und/oder Supercaps) und minimalem Ruhestrom.
• Superkondensatoren & Hybridkondensatoren: Verschiedene EDLCs mit unterschiedlichen Kapazitäten, Spannungsnennwerten, ESR (Equivalent Series Resistance) und Formfaktoren, geeignet zum Puffern geernteter Energie.
• Dünnschicht- & Festkörperbatterien: Wiederaufladbare Batterien mit einzigartigen Formfaktoren, Flexibilität und potenziell verbesserter Sicherheit oder Temperaturleistung im Vergleich zu herkömmlichen Li-Ion-Batterien.
• Ultra-Low Power MCUs & Wireless SoCs: Prozessoren und Funkmodule, die von Grund auf für minimale Aktiv- und Schlafströme entwickelt wurden, oft mit mehreren Low-Power-Modi und Peripheriegeräten, die autonom arbeiten können. Achten Sie auf Komponenten basierend auf Architekturen wie ARM Cortex-M0+/M33 oder RISC-V, die für Leistung optimiert sind.
• Low-Leakage-Komponenten: Passive Komponenten (Kondensatoren, Widerstände) und andere ICs, die speziell zur Minimierung von Leckströmen im Schlafmodus entwickelt wurden.

Die Implementierung von Energy Harvesting ist nicht trivial. Ingenieure stehen vor erheblichen Herausforderungen:

• Niedrige & Variable Leistungspegel: Umgebungsenergiequellen liefern oft Mikrowatt oder Milliwatt, die erheblich schwanken können. Das System muss über diesen Bereich effizient arbeiten.
• Umwandlungs- & Speichereffizienz: Jede Stufe (Wandlung, Spannungsregelung, Laden/Entladen) ist mit Verlusten verbunden. Die Maximierung der End-to-End-Effizienz ist entscheidend.
• Kaltstartproblem: Anfänglich muss genügend Energie angesammelt werden, um den PMIC und den Rest des Systems zu starten, insbesondere bei sehr geringen Energiequellen.
• Speicherauswahl: Abwägung von Energiedichte, Zyklenlebensdauer, Leckage, Temperaturbereich, Größe und Kosten von Batterien vs. Superkondensatoren für das spezifische Anwendungsprofil.
• System-Energiebudgetierung: Die genaue Vorhersage der Energieverfügbarkeit im Vergleich zum Stromverbrauchsprofil der Last (einschließlich Spitzenströmen für Funkübertragung) ist komplex, aber unerlässlich.
• Integration & Größenbeschränkungen: Einpassen von Harvester, PMIC, Speicher und IoT-Schaltung in den gewünschten Produktformfaktor.
• Kosten: Obwohl die TCO reduziert werden, müssen die anfänglichen Kosten für EH-Komponenten (insbesondere spezialisierte PMICs oder Harvester) gerechtfertigt sein.
• Umweltfaktoren: Temperatur, Feuchtigkeit, physische Erschütterungen und Schmutz/Staub können die Leistung und Langlebigkeit von Harvesting-Komponenten beeinträchtigen.

Energy Harvesting und ULP-Design ermöglichen Innovationen in zahlreichen Sektoren:

• Smart Buildings: Autarke Anwesenheitssensoren, Umweltmonitore (CO2, Temp., Feuchtigkeit), Lichtschalter, Fenster-/Türsensoren.
• Industrielles IoT (IIoT): Batterielose Zustandsüberwachungssensoren (Vibration, Temperatur) an Maschinen, Pipeline-Überwachung, Überwachung der Bauwerksintegrität.
• Smart Agriculture: Langlebige Bodenfeuchte-/-nährstoffsensoren, Umweltüberwachungsstationen auf abgelegenen Feldern.
• Logistik & Lieferkette: Autarke Tracking-Tags für Container oder Paletten, potenziell mit integrierter Zustandsüberwachung.
• Wearables & Medizinprodukte: Durch Körperwärme oder Bewegung angetriebene Fitness-Tracker, Gesundheitsmonitore und potenziell langlebigere implantierbare Geräte.
• Einzelhandel: Intelligente Regaletiketten mit langer Lebensdauer, potenziell durch Innenlicht oder RF betrieben.

Das Feld entwickelt sich rasant weiter:

• Verbesserte Harvester-Effizienz: Laufende Forschung an effizienteren PV-Materialien (Perowskite), TEG-Materialien und piezoelektrischen Designs.
• Multi-Source Harvesting: PMICs, die Energie aus mehreren Quellen gleichzeitig verwalten und kombinieren können (z. B. Licht + Vibration).
• Integration & Miniaturisierung: Höhere Integrationsgrade innerhalb von PMICs und Modulen, Reduzierung der Komponentenanzahl und -größe. Entwicklung von System-in-Package (SiP)-Lösungen.
• Standardisierung: Bemühungen zur Standardisierung von Schnittstellen und Komponenten für eine einfachere Integration.
• KI-gestütztes Energiemanagement: Einsatz von maschinellem Lernen im PMIC oder MCU zur Vorhersage der Energieverfügbarkeit und Optimierung des Stromverbrauchs basierend auf gelernten Mustern.
• Wireless Power Transfer: Obwohl verschieden vom Ambient Harvesting, ergänzen Fortschritte bei der drahtlosen Energieübertragung über kurze und mittlere Distanzen EH durch gezielte Lademöglichkeiten.

Für jeden, der drahtlose vernetzte Systeme entwirft oder einsetzt, bei denen Energie eine Einschränkung darstellt, ist die WIoT Tomorrow 2025 eine entscheidende Ressource:

• Harvesting-Technologien erkunden: Sehen Sie Demonstrationen von Solar-, Thermo-, Kinetik- und RF-Harvesting-Komponenten und -Kits.
• PMICs & Speicher vergleichen: Bewerten Sie die neuesten Power-Management-ICs und verstehen Sie die Kompromisse zwischen verschiedenen Batterie- und Superkondensatorlösungen.
• ULP-Komponenten entdecken: Finden Sie Ultra-Low-Power MCUs, Sensoren und Funkmodule, die für Energieeffizienz optimiert sind.
• Integrationsstrategien lernen: Besuchen Sie Sessions zu Systemdesign, Energiebudgetierung, Komponentenauswahl und Integrations-Best-Practices für EH- und ULP-Systeme.
• Experten treffen: Begegnen Sie Ingenieuren von Komponentenherstellern und Lösungsanbietern, die auf Low-Power-Design und Energy Harvesting spezialisiert sind.

Energy Harvesting und Ultra-Low-Power-Design sind nicht nur inkrementelle Verbesserungen; sie stellen einen fundamentalen Wandel hin zur Schaffung wirklich nachhaltiger, autonomer und allgegenwärtiger IoT-Systeme dar. 

Indem sie die Einschränkungen herkömmlicher Batterien überwinden, erschließen diese Technologien neue Anwendungen, senken Betriebskosten, minimieren Umweltauswirkungen und ermöglichen es Geräten, jahrelang zuverlässig in anspruchsvollen Umgebungen zu funktionieren.

Das Verständnis und die effektive Implementierung dieser Energielösungen erfordern tiefes technisches Wissen und Zugang zu den neuesten Komponenten und Fachkenntnissen. 

Die WIoT Tomorrow 2025 bietet das ideale Umfeld, um diese Einblicke zu gewinnen, modernste Hardware zu erkunden und die Partnerschaften zu schmieden, die benötigt werden, um die nächste Generation von Wireless IoT-Innovationen mit Energie zu versorgen.