Energy Harvesting: Power durch Reibung direkt genutzt in smarter P4HD Rollenkette

Richard Habering | 25. August 2021

Wo Bewegung ist und Reibung entsteht, entsteht auch Energie. Diese Energie zu nutzen bildet das Grundprinzip von „Energy Harvesting“. Energy Harvesting macht Kabel zur Stromversorgung oder das Nachladen von Batterien in mobilen Geräten überflüssig. Vibrationen an Geräten, Maschinen oder Bauwerken oder Temperaturunterschiede zwischen Rohren, Leitungen, Heizkörpern oder Ventilen und der Umgebung können genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen.

Mit diesem Prinzip haben chinesische Wissenschaftler jetzt einen Rucksack entwickelt, der Stöße und Schwingungen beim Laufen abfängt, dadurch erheblich leichter zu tragen ist und gleichzeitig elektrische Energie erzeugt. Wie funktioniert das? Elastische Bänder am Rucksack dehnen sich und entkoppeln die Bewegung des Rucksacks vom auf den Rücken geschnallten Rahmen, in dem er hängt. Das reduziert die Kraft, die auf den Träger einwirkt, um etwa 20 Prozent. Gleichzeitig wird die Bewegung zwischen beiden Teilen genutzt, um zwei Kunststofffolien aneinanderreiben zu lassen. Der „triboelektrische Nanogenerator“ wandelt rund 14 Prozent der mechanischen in elektrische Energie um. Die Forscher zeigten, dass das ausreicht, um LEDs, eine elektrische Uhr und Leuchtstoffröhren mit Strom zu versorgen.¹

Die Konsumindustrie schreitet voran

Das folgende Anwendungsbeispiel ist schon deutlich reifer in der Entwicklung. Die Firma MATRIX industries entwickelte die erste Smartwatch, die vollständig ohne Akku funktioniert. Durch eingebaute thermoelektrische Generatoren im Armband kann die Powerwatch die Energie für ihren Betrieb selbst produzieren. Legt der Nutzer die Uhr ums Handgelenk, schaltet sie sich automatisch ein. Nimmt er sie wieder ab, geht sie in den Ruhemodus und speichert vorher die gemessenen Daten. Die Powerwatch muss nie aufgeladen werden, weil sie ihren Bedarf an Energie selbst produziert.²

Energy Harvesting in der Industrie

Doch nicht nur in der Konsumgüterindustrie spielt Energy Harvesting eine immer stärkere Rolle. In der neusten Ausbaustufe der igus Rollen e-kette P4HD wird durch den Einsatz wartungsfreier Tribopolymer-Gleitlager in der Verbindung der e-ketten Glieder die Lebensdauer nochmals deutlich erhöht. Ein Grund dafür ist, dass die neue P4HD mit smarten Überwachungssensoren ausgestattet werden kann. Die externe Energieversorgung, vormals durch Akkus realisisert, wird dabei durch induktives Energy Harvesting eingespart. Der Sensor wird dabei in ein Standard Seitenteil der Kette integriert, was zu keinerlei Einschränkungen bei der nutzbaren Innenbreite führt.

Inklusive der intelligenten Vernetzung der einzelnen Komponenten wird dadurch eine solide Grundlage für vorausschauende Wartungskonzepte; im Englischen auch predictive maintenance genannt, geschaffen. Bei igus ist die vorausschauende Wartung unter dem Begriff i.Cee zusammengefasst. Das zentrale Element in diesem Bereich stellt die i.Cee Software dar. Diese Software in Verbindung mit Sensoren an der Energieführungskette machen die ab Lager lieferbaren Produkte zu smarten Produkten. Dieses Upgrade schafft die Möglichkeit die maximale Lebensdauer sowie den perfekten Servicezeitpunkt Ihres igus Produktes zu ermitteln. Selbstlernende Algorithmen passen die Lebensdauer und den Servicezeitpunkt entsprechend der Nutzung an.

Nicht nur der Geldbeutel freut sich – auch die Umwelt profitiert vom Energy Harvesting

Mithilfe von Energy Harvesting könnte bei vielen elektrischen Geräten auf Akkus verzichtet werden. Wir nutzen im Alltag immer mehr elektrisch betriebene Geräte – dieser Trend wird sich fortsetzen. Auch Dinge, die heute noch völlig ohne Strom funktionieren, werden in Zukunft smarte Geräte sein. Ähnlich, wie Uhren vor einigen Jahren völlig mechanisch betrieben wurden und heute schon mit dem Internet verbunden sind – und dafür Strom, meistens in Form von Batterien, brauchen. Die meisten sind Lithium-Ionen-Akkus. Es werden große Mengen an Wasser benötigt, um Lithium abzubauen. Das hat zur Folge, dass viele Seen austrocknen oder mit Schadstoffen belastet werden. Auch der Recyclingprozess gestaltet sich schwierig. Teilweise kann es sogar umweltbelastender sein, Lithium zu recyclen, da dieser Prozess große Mengen umweltschädlicher Chemikalien benötigt. Vor diesem Problem steht auch heute die E-Mobilität. Energy Harvesting würde diese Probleme zwar nicht gänzlich beheben, könnte aber eine gute Alternative für akkubetriebene Kleingeräte oder Industrie-Sensoren sein.²

Quellen: 1) https://pubs.acs.org/toc/ancac3/15/8; 2) https://utopia.de/energy-harvesting-akkus-176460/