Wie winzige Sonnenkollektoren das IoT mit Energie versorgen könnten

Es könnte einen großen Schritt vorwärts in unserer Art zu Leben ankündigen. Das “Internet der Dinge”, die Idee, Gegenstände über ein globales Netzwerk miteinander zu verbinden, wird eines Tages Ihr Zuhause verwalten, Sie gesund halten und sogar überprüfen, wie viel Essen sich in Ihrem Kühlschrank befindet. Das bedeutet, dass bis 2020 auf der ganzen Welt eine Trillion “intelligenter Sensoren” installiert werden. Doch woher beziehen diese ihren Strom?

In manchen Fällen ist die Stromquelle offensichtlich: Sensoren in Kühlschränken oder in Ampeln können an das Stromnetz angeschlossen werden. Es ist jedoch um Einiges komplizierter, Vorrichtungen mit Strom zu versorgen, die die Wasserqualität in abgelegenen Sammelbecken analysieren, die Risse in der Bahntrasse feststellen, oder überprüfen, ob die Kühe eines Bauern glücklich und gesund sind.

Organische Sonnenkollektoren könnten die Antwort sein. Sie sind günstig und außerdem flexibel genug, um klitzekleine Sensoren unabhängig von ihrer Form mit Strom zu versorgen. Die Zellen können nur bis zu zwei Mikrometer dick sein – circa ein 50stel der Breite eines menschlichen Haares – und sind in der Lage, eine für solch eine dünne Oberfläche enorme Menge an Licht aufzunehmen.

Diese organische Photovoltaik (OPV) unterscheidet sich von Silizium-basierten Solarzellen dahingehend, dass erstere aus künstlich angefertigten Bio-Materialien angefertigt werden kann. Sie kann auf günstigen Substraten wie PET abgelagert werden, einer Art Polyester, die auch in Softdrink-Flaschen oder Chipstüten verwendet werden kann. Dieses Material ist leichter, flexibler, und kann sogar in verschiedenen Farben leuchten. Wer hat behauptet, Solarzellen müssten immer nur schwarz sein?

OPVs benötigen lediglich einen Tag, um die Energie zurückzugewinnen, die für ihre Herstellung aufgewandt wurde, auch bekannt als “Energie-Amortisationszeit”. Herkömmliche Silizium-basierte Solarzellen benötigen für die Rückgewinnung der Energie ein bis zwei Jahre.

Organische Photovoltaik kann auch an 3D-Oberflächen wie Dachabdeckung und sogar Kleidung gebunden werden. In unseren jüngsten Forschungen haben meine Kollegen und ich nachgewiesen, dass dadurch verstreutes oder schräg einfallendes Licht besser eingefangen werden kann. Für einen Solarpark in einem sonnigen Land macht dies keinen großen Unterschied, aber wolkenreichere Orte in größerer Höhenlage haben dadurch einen Zusatznutzen.

Für das Internet der Dinge sind diese Verbesserungen ein echter Meilenstein. Nur wenige dieser unzähligen Sensoren werden in der Sonne platziert; weitaus mehr werden an ungewöhnlichen Orten installiert, wo das Licht nur indirekt einfällt. Winzige organische Solarzellen ermöglichen das ständige Einfangen von Energie, sogar im Haus und auf Kleidung.

Von Billionen zur Trillion

Der große Bedarf nach einer solchen Technologie lässt sich nicht leugnen. Die Messlatte “eine Trillion Sensoren” wirkt zunächst seltsam. Jedoch besitzt ein typisches Smartphone rund zehn intelligente Sensoren, die Licht, Temperatur, Ton, Berührung, Bewegung, Position, Feuchtigkeit und mehr messen. Mehr als eine Miliiarde Smartphones werden in diesem Jahr verkauft, das macht also 10 Milliarden neue Sensoren, und das nur in Smartphones. Natürlich beschränken sich intelligente Sensoren nicht auf Smartphones. Sie werden ebenfalls routinemäßig in den Bereichen Körperpflege, Umweltüberwachung, Sicherheit und Transport verwendet.

Ungeachtet der genauen Zahlen können wir davon ausgehen, dass in Zukunft zahlreiche Sensoren zum Einsatz kommen und dass deren Komplexität und Zweckmäßigkeit exponentiell wächst. Meine Kollegen in Bangor und ich interessieren uns dafür, herauszufinden, wie wir alle Sensoren mit Strom versorgen können, wodurch wir schließlich auf organische Photovoltaik gestoßen sind.

Wobble power Organic solar cells can be shaped to fit different surfaces or devices. CSIRO, CC BY-SA
Wobble power Organic solar cells can be shaped to fit different surfaces or devices. CSIRO, CC BY-SA

Wenngleich Ingenieure immer bestrebt sind, den Energieverbrauch durch besseres Design und einen Sleep-Modus der Sensoren bei Nicht-Nutzung zu reduzieren, verbrauchen sogar Sensoren mit sehr geringem Stromverbrauch circa 3,5 Milliwatt. Sensoren von schlechterer Qualität verbrauchen bedeutend mehr.

Angenommen, dass der “durchschnittliche” Sensor 5 Milliwatt verbraucht und vorausgesetzt, dass der Verbrauch jede Minute gemessen wird und eine Messung 30 Sekunden dauert, dann verbraucht dieser durchschnittliche intelligente Sensor 22 Watt-Stunden in einem Kalenderjahr. Dieser Wert ist äußerst gering und entspricht dem Verbrauch eines eingeschalteten Fernsehers über die Dauer von fünf Minuten.

Doch es summiert sich. Angelehnt an unsere einfache Analyse werden eine Trillion Sensoren pro Jahr 21.900 Gigawatt verbrauchen. Das stellt eine unfassbare Nachfrage an Stromnetzen dar, vergleichbar mit dem kombinierten Output einiger Atomkraftwerke. Hinzu kommt die zusätzliche Nachfrage von Datenzentren, um derart riesige Mengen an Informationen zu verwalten.

Ja, es werden Elektroden mit geringem Verbrauch entwickelt, um die Energiemenge zu reduzieren, die von Sensoren benötigt wird. Jedoch können viele Sensoren vor allem bei langfristigen Projekten nicht einfach auf eine innere Batterie bauen, da eine Batterie nur einen begrenzten Speicherraum für Energie hat. Vor allem ist das der Fall, wenn Sensoren in abgelegenen Orten installiert werden, die weit weg von einem Stromnetz oder sonstiger elektrischer Verbindung sind.

Daher müssen wir intelligente Sensoren bauen, die ihren eigenen Strom aus der direkten Umgebung ziehen können – und genau hier wird die Nische der organischen Sonnentechnologie zu finden sein.

Dieser Artikel erschien zuerst auf “The Conversation” unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.


Teaser & Image “Solar” (adapted) by (CC BY 2.0)


The Conversation

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Jeff Kettle

Jeff Kettle

hat einen Doktor in Nanophotonik und ist an der Universität von Bangor im Bereich Ingeneurswesen als Lektor tätig. Seine Kenntnisse haben ihren Schwerpunkt in der Geräteherstellung und -modellierung von Halbleiterapparaten. In der Forschung beschäftigt er sich vor allem mit der Entwicklung von Sensoren, der Nanoherstellung, Solagenergie, Beschichtungstechnologien und Leuchtdioden. Neben seiner universitären Arbeit war Jeff Kettler bereits in zahlreichen Unternehmen tätig.

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