Eine Alternative zu Batteriestrom im Connected Home

Trend

Nachhaltig und erschwinglich

Neue Ideen der drahtlosen Energieübertragung können die Abhängigkeit von Batterien für die Versorgung der Geräte im Connected Home verringern. Von: Ronald M. Weber, Global Industry Manager, Building Automation

Energie. Ohne sie könnten all die elektronischen Innovationen, die wir täglich nutzen, nicht ihre Aufgabe erledigen. Die neuesten Innovationen rund um das Internet der Dinge sind dabei keine Ausnahme. Jedes vernetzte Gerät – ob ein Fitnessüberwachungsgerät am Handgelenk, ein vernetztes elektronisches Türschloss oder ein Ultraschallsensor in einer Industriemaschine – benötigt Energie, um zu funktionieren und sich mit dem Rest der Welt vernetzen zu können. Das Vordringen des Internets der Dinge in unseren Alltag macht die Energieverwaltung und -versorgung zu einer immer größeren Herausforderung. Trotz der großen Fortschritte bei der Entwicklung von Mikroprozessoren und Komponenten (deren Energieverbrauch in Mikrowatt gemessen wird) müssen diese immer noch mit Energie versorgt werden. In den Geräten des Internets der Dinge ist der Ruhemodus regelmäßig aktiviert, um den Energieverbrauch auf gerade noch messbare Werte zu senken – Energie benötigen sie aber trotzdem weiterhin.  

Jedes vernetzte Gerät muss mit Energie versorgt werden, um zu funktionieren und sich mit dem Rest der Welt zu vernetzen.

Allen technologischen Fortschritten zum Trotz konnte noch niemand eine immer währende Stromquelle entwickeln. Die Energieversorgung ist nach wie vor eine der größten Herausforderungen für Designer. Steht eine geeignete externe Stromquelle zur Verfügung, z. B. bei Industriemaschinen, Verarbeitungsausrüstung oder auch Rauchmeldern in neueren Gebäuden, kann das entsprechende Gerät einfach daran angeschlossen werden – mit einer Vielzahl an trennbaren Verbinderoptionen oder Schnellsteckanschlüssen. Ist keine Stromquelle verfügbar, muss der Designer auf Batterien oder Energiegewinnungsvorrichtungen wie Photovoltaikzellen oder elektrokinetische Mikrogeneratoren zurückgreifen.  

Das moderne Zuhause ist ein Netzwerk aus verbundenen Geräten.
Das moderne Zuhause ist ein Netzwerk aus verbundenen Geräten.

Bei der Versorgung der meisten drahtlosen Elektronikgeräte sind Batterien de facto immer noch Standard. Batteriebetriebene Geräte sind jetzt bereits ein fester Bestandteil unseres Alltags und mit der Verbreitung vernetzter Elektronik wird ihre Bedeutung noch größer werden. Damit werden auch die Herausforderungen für die Designer solcher Produkte anspruchsvoller. Der Designer muss zwischen der Größe der Batterie, der zu erbringenden Leistung und der zu erwartenden Lebensdauer abwägen. Dies ist keine leichte Aufgabe, obwohl der Designer für das Internet der Dinge auf diese Weise über eine stabile Energiequelle mit festem Formfaktor sowie eine Vielzahl an Größen und Integrationsoptionen verfügt. Dank der globalen Verfügbarkeit und der standardisierten Größen sind die meisten Verbraucher mit dem Gebrauch und Austauschen der Batterien vertraut – ob es sich um kleine Knopfbatterien vom Typ LR1154 oder um zylindrische Batterien vom Typ AA (IEC R6) handelt. Unabhängig von der verwendeten Batterie stehen dem Designer eine Vielzahl an Steckverbinderoptionen zur Verfügung, um die Montage, Inbetriebnahme und den späteren Austausch der Batterie zu erleichtern.

Mit Zunahme der Heimautomatisierungsgeräte wird auch die Anzahl der benötigten Batterien so lange drastisch ansteigen, bis sich neue Ideen für die Geräteversorgung durchsetzen.

Schauen Sie sich die Geräte in einem typischen Zuhause an und Sie werden merken, wie allgegenwärtig Batteriestrom geworden ist. Bei Anwendungen wie unseren Mobiltelefonen sind wir es inzwischen gewöhnt, sie irgendwann anzuschließen, um die Akkus wieder aufzuladen. Ein Fernsehgerät ohne Fernbedienung mit Wegwerfbatterien vom Typ AA darin erscheint uns nur schwer vorstellbar. Ob Taschenlampen oder Gamecontroller – viele Geräte sind von Batterien abhängig. Zuhause sorgen lebenswichtige Geräte wie Rauchmelder für unsere Sicherheit und machen uns durch ein unangenehmes Piepsen darauf aufmerksam, dass die Batterie ausgetauscht werden muss. Für all diese Geräte werden dann auch in jedem Zuhause noch irgendwo Ersatzbatterien aufbewahrt– und im Notfall normalerweise doch nicht gefunden. Mit Zunahme der Heimautomatisierungsgeräte wird auch die Anzahl der benötigten Batterien so lange drastisch ansteigen, bis sich neue Ideen für die Geräteversorgung durchsetzen.

Im Connected Home sind batteriebetriebene Geräte allgegenwärtig.

Im Connected Home sind batteriebetriebene Geräte allgegenwärtig.

Die meisten neuen Geräte sind drahtlos.  Sie reichen von kleinen Anwesenheitssensoren an der Wand bis hin zu Funkschaltern und Schlüsselanhängern für elektronische Türschlösser. Bei einigen Anwendungen wie Schaltern und Schlüsselanhängern erreicht die Batterielebensdauer dank Lithium-basierten Knopfbatterien oft fünf Jahre oder mehr. Bei anderen Anwendungen mit hohem Stromverbrauch, z. B. elektronische Türschlösser und Zusatzsteuergeräte, wird die Batterielebensdauer eher in Monaten als in Jahren angegeben. Bei den letzteren Anwendungen sind die Typen und die Anzahl der Batterien, die verwendet werden können, aus praktischen und ästhetischen Gründen beschränkt. Im Fall des Türschlosses würde sich niemand ein Produkt zulegen, das vier Batterien der Größe D (LR20) für eine Lebensdauer von fünf Jahren benötigt. Daher müssen Designer zwischen praktischen Aspekten des Designs und einer akzeptablen Batterielebensdauer abwägen. Als Kompromiss werden üblicherweise vier bis acht Batterien vom Typ AA eingesetzt, um das Schloss ca. ein Jahr lang zu versorgen, bevor diese ausgetauscht werden müssen. Wahrscheinlich werden sich die meisten Eigenheimbesitzer nicht allzu sehr darüber beschweren, dass sie die Türschlossbatterien einmal im Jahr austauschen müssen – obwohl dafür manchmal sogar das Schloss ausgebaut werden muss. Eigenheimbesitzer haben sich bereits daran gewöhnt, die Batterien in ihren Rauchmeldern einmal im Jahr auszutauschen. Also dürften ein paar weitere Batterien für Türschlösser eigentlich kein Problem darstellen, oder? Nun, vielleicht sollte man noch etwas weiterdenken. Wie sieht es bei einem Hausmeister aus, der ein Hochhaus mit Hunderten von Wohneinheiten oder ein Studentenwohnheim mit Tausenden von Zimmern mit elektronischen Schlössern verwalten muss? Da wird der simple Vorgang des Batteriewechsels bei einem Türschloss plötzlich zu einer langwierigen, kostspieligen und arbeitsintensiven Aufgabe.

Im Fall der elektronischen Türschlösser kann es weitreichende Auswirkungen haben, die Größe und Anzahl der Batterien zu minimieren oder diese gleich ganz überflüssig zu machen. Mit einem Male kann ein Schloss deutlich kleiner sein, da kein klobiges Batterie-Pack mehr in den Schlosskasten passen muss. Auch ästhetischere Designs sind jetzt möglich. In einem Wohnungskomplex mit 1000 Wohneinheiten mit elektronischen Türschlössern und einem einjährigen Austauschzyklus fallen für die Schlösser in zehn Jahren Betriebskosten von bis zu 50.000 US-Dollar an. Hier gibt es also ein großes Potenzial für Kosteneinsparungen durch eine Lösung, die die Batterien in diesen Schlössern ersetzen kann. Die Herausforderung liegt in der Eigenschaft der elektronischen Türschlösser. Die elektronischen Schaltkreise können so konzipiert werden, dass sie Energie auf dem Niveau der Schlüsselanhänger oder Sensoreinheiten in Wohngebäuden verbrauchen. Dagegen verbrauchen die kleinen Motoren bzw. Hubmagnete zum Aktivieren der Schlösser beachtliche Strommengen, die der Batterie die meiste Energie entziehen.

Ersetzt man Batterien durch andere Optionen der Energieversorgung, kann dies langfristig zu deutlichen Kosteneinsparungen führen.
Ersetzt man Batterien durch andere Optionen der Energieversorgung, kann dies langfristig zu deutlichen Kosteneinsparungen führen.

Diese Türschlösser nehmen relativ hohe Ströme auf, wenn sie bei geschlossener Tür aktiviert werden. Hier bietet sich eine alternative, neuartige Technologie an, die das Potenzial hat, Batterien vollständig überflüssig zu machen: die Energieübertragung im Nahfeld. Zurzeit wird diese Technologie auf dem Markt für Unterhaltungselektronik eingesetzt, z. B. bei Lösungen zum Aufladen von Mobiltelefonen oder Wearables. Eine industrielle Version davon ist die Plattform ARISO Kontaktlose Verbindung von TE, die eine drahtlose Energieübertragung bei Maschinen und Anwendungen in rauen Umgebungen ermöglicht. Diese Technologie zur drahtlosen Energieübertragung kann mit ein paar kleineren Änderungen an der Verpackung auch bei elektronischen Türschlössern verwendet werden. Bei der Türschlossimplementierung wird ein kleiner Energiesender in den Türrahmen eingelassen und an eine Gleichstromquelle mit Niederspannung angeschlossen, z. B. an einen Türklingeltransformator oder eine ähnliche Quelle. Auf ähnliche Weise werden ein Energieempfänger und ein Konditionierungsschaltkreis in die Türkante eingelassen. Bei geschlossener Tür sind der Sender und der Empfänger aneinander ausgerichtet, sodass bis zu 5 W Energie drahtlos zwischen Türrahmen und Türkante übertragen werden kann. Diese Leistung ist mehr als ausreichend, um die meisten Türschlösser zu versorgen, sodass sogar noch eine kleine Reservebatterie in der Türschlosskonstruktion aufgeladen werden kann, die bei Stromausfällen zum Einsatz kommt.

Designer müssen alle verfügbaren Optionen in Betracht ziehen, um die Produkte zur Automatisierung des Connected Home zu versorgen.
Designer müssen alle verfügbaren Optionen in Betracht ziehen, um die Produkte zur Automatisierung des Connected Home zu versorgen.

Der Einsatz drahtloser Techniken zur Energieversorgung von Türschlössern macht nicht nur mit Blick auf die Gesamtkosten, sondern vor allem auch aus ökologischer Sicht Sinn. Branchenstatistiken zu den weltweit installierten elektronischen Türschlössern und dem zu erwartenden Anstieg über die nächsten zehn Jahre decken alarmierende Zahlen auf. Ausgehend von vier pro Schloss und Jahr auszutauschenden Batterien werden in den nächsten zehn Jahren über 500.000 Tonnen AA-Batterien auf Deponien landen. Das entspricht dem Gewicht von fünf Flugzeugträgern der US-Nimitz-Klasse oder 287.500 ausgewachsenen Pkw. Diese Menge an sich ist schon besorgniserregend, und in Kombination mit den ökologischen Auswirkungen durch die Herstellung dieser Batterien wird ein massives Umweltproblem deutlich. Die Nutzung drahtloser Energie in Türschlössern könnte selbst kleinste Mengen an Wegwerfbatterien überflüssig machen und so deutliche ökonomische und ökologische Vorteile bieten. Mit der zunehmenden Automatisierung von Wohnungen und Gebäuden müssen Designer von vernetzten Geräten alle Optionen für die Energieversorgung in Betracht ziehen, auch wenn diese den Designprozess nicht unbedingt vereinfachen. Designer müssen von Beginn an alternative Stromversorgungsoptionen in Erwägung ziehen, bevor sie auf Batterien zurückgreifen. Von optimal konzipierten Produkte, die länger halten, einfacher und kosteneffizienter instand zu halten sind und den Bedienkomfort erhöhen, profitieren wir alle. Abgesehen davon, dass niemand von uns auch nur eine einzige Frachtschiffladung Wegwerfbatterien hinter dem Haus abgekippt haben möchte.