Autonome Sensoren mit Energy Harvesting: Ein Weg zur ausfallsicheren Überwachung des Gerätezustands

Einleitung: Innovationen für die Industrieproduktion der Ukraine

Wie überall auf der Welt steht auch die Industrieproduktion in der Ukraine vor der dringenden Notwendigkeit, die Effizienz und Zuverlässigkeit zu steigern und die Betriebskosten zu senken. Die Zustandsüberwachung (Condition Monitoring, CM) von Geräten ist ein wichtiges Instrument zur Erreichung dieser Ziele und ermöglicht den Übergang von der reaktiven zur vorausschauenden Wartung. Herkömmliche drahtlose Sensorüberwachungssysteme sind jedoch häufig auf Batterien angewiesen, was zu erheblichen betrieblichen Herausforderungen führt: regelmäßiger Austausch, Entsorgung, Logistik und Ausfallrisiken aufgrund von Batterieerschöpfung. Dies gilt insbesondere für schwer zugängliche oder gefährliche Bereiche.

Die Energy Harvesting Sensors (EHS)-Technologie bietet eine grundlegende Lösung für diese Probleme. Es ermöglicht den Sensoren, völlig autonom zu funktionieren und dabei Energie aus der Umgebung zu nutzen – Vibration, Wärme, Licht, Hochfrequenzstrahlung. Dies ebnet den Weg für eine wirklich ausfallsichere Zustandsüberwachung, die für die Sicherstellung der Kontinuität der Produktionsprozesse und die Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit ukrainischer Unternehmen von entscheidender Bedeutung ist.

Wissenschaftliche Grundlage: Prinzipien des Energy Harvesting für Sensorsysteme

Autonome Sensorsysteme mit Energy Harvesting basieren auf der Umwandlung verschiedener Formen von Umweltenergie in elektrische Energie. Zu den Hauptprinzipien gehören:

1. Schwingungsenergiegewinnung

Vibrationen sind eine der häufigsten Energiequellen in industriellen Umgebungen, insbesondere bei rotierenden Geräten. Es werden hauptsächlich zwei Methoden verwendet:

• Piezoelektrischer Effekt: Einige Materialien (z. B. Keramik auf Basis von Bleizirkonat-Titanat, PZT) erzeugen bei mechanischer Verformung eine elektrische Ladung. Piezoelektrische Schwingungserzeuger bestehen üblicherweise aus einem Auslegerbalken mit einer Masse am freien Ende, an dem ein piezoelektrisches Element befestigt ist. Bei der Resonanzfrequenz der Gerätevibration erzeugt der Generator maximale Leistung. Die typische Ausgangsleistung kann zwischen 50 μW und 500 μW bei Beschleunigungen von 0,1–1 g und Frequenzen von 50–200 Hz in einem Volumen von 1 cm³ liegen. Der Umwandlungswirkungsgrad kann 10-20 % erreichen.
• Elektromagnetische Induktion: Die Bewegung eines Magneten relativ zu einer Spule (oder umgekehrt) induziert einen elektrischen Strom gemäß dem Faradayschen Gesetz. Diese Systeme sind oft größer, können aber bei niedrigeren Vibrationsfrequenzen und größeren Amplituden eine höhere Leistung (bis zu mehreren Milliwatt) erzeugen.

2. Sammlung thermoelektrischer Energie

Thermoelektrische Generatoren (TEGs) nutzen den Seebeck-Effekt und wandeln den Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten des Geräts in elektrische Energie um. Sie bestehen aus in Reihe geschalteten pn-Übergängen von Halbleitermaterialien (z. B. Wismuttellurid). Industrielle Prozesse erzeugen häufig erhebliche Temperaturgradienten (z. B. heiße Rohre, Motoren, Öfen). TEG kann bei einem Temperaturunterschied von 10–50 °C 10–100 μW/cm² erzeugen. Der Umwandlungswirkungsgrad liegt bei kommerziellen Geräten bei 2–5 %.

3. Sammlung photoelektrischer Energie

Sonnenkollektoren (Photovoltaikzellen) wandeln Lichtenergie in elektrische Energie um. Obwohl sie bei direkter Sonneneinstrahlung am effizientesten sind (bis zu 10–20 mW/cm²), können die heutigen hochempfindlichen Zellen auch bei geringer Innenbeleuchtung (z. B. 10–50 µW/cm² bei 500 Lux) ausreichend Leistung erzeugen. Dadurch eignen sie sich für die Überwachung in Fabrikhallen mit künstlicher Beleuchtung.

4. Energiegewinnung durch Hochfrequenz (RF).

Bei der RF-Energiegewinnung werden elektromagnetische Wellen (z. B. von WLAN-Routern, Fernsehtürmen oder speziellen Sendern) verwendet, um Geräte mit geringem Stromverbrauch mit Strom zu versorgen. Dies wird mithilfe von Rectennas (an Gleichrichter angeschlossene Antennen) realisiert. Die gewonnene Leistung ist in der Regel sehr gering (einige Nanowatt bis Mikrowatt) und hängt stark von der Entfernung zur Quelle und deren Leistung ab. Diese Methode wird hauptsächlich für Sensoren mit sehr geringer Leistung oder als Hilfsstromquelle verwendet.

Energiespeichersysteme

Da Energiequellen intermittierend sein können, ist eine Energiespeicherung für den stabilen Betrieb von Sensoren erforderlich. Normalerweise verwendet:

• Superkondensatoren: Hohe Leistungsdichte, schnelles Laden/Entladen, sehr lange Lebensdauer (über 100.000 Zyklen), aber geringere Energiedichte im Vergleich zu Batterien. Ideal zum Puffern von Energie.
• Dünnschichtbatterien: Kompakt, sicher, lange Lebensdauer (tausende Zyklen), geringe Selbstentladung. Sie dienen der Speicherung größerer Energiemengen.

Moderne Mikrocontroller und Funkmodule (z. B. Bluetooth Low Energy (BLE), LoRaWAN) verbrauchen nur minimalen Strom, sodass sie mit gewonnener Energie betrieben werden können. Der durchschnittliche Verbrauch eines Vibrationssensors mit Datenübertragung alle 5 Minuten kann 10-50 µW betragen.

Aktueller Entwicklungsstand und Technology Readiness Level (TRL)

Energy-Harvesting-Technologien für die industrielle Zustandsüberwachung befinden sich nach der Methodik der Europäischen Kommission auf unterschiedlichen Reifegraden (TRL):

• TRL 5-6 (Technologie in geeigneter Umgebung getestet): Piezoelektrische und thermoelektrische Generatoren für Vibration und Wärme werden bereits erfolgreich in Prototypen von Sensormodulen integriert und unter realen industriellen Bedingungen getestet. Zum Beispiel Vibrationssensoren, die durch Vibrationen von Lagern betrieben werden, oder Temperatursensoren, die durch Temperaturgradienten an Rohrleitungen betrieben werden. Unternehmen wie Analog Devices, TE Connectivity und Würth Elektronik entwickeln aktiv Komponenten und Module.
• TRL 7 (Prototypsystem in Betriebsumgebung demonstriert): Einige komplexe Überwachungssysteme, die kombinierte Energiequellen (z. B. Vibration + Sonnenlicht) verwenden, haben bereits an Pilotstandorten eine stabile Leistung gezeigt. Beispiele hierfür sind die Überwachung des Zustands entfernter Pumpstationen oder Elemente von Brückenbauwerken.
• TRL 8 (System Complete and Certified): Separate kommerzielle Produkte für Nischenanwendungen (z. B. drahtlose Reifendrucksensoren, angetrieben durch Rotation) sind bereits auf dem Markt erhältlich und entsprechen den CE- und UkrSEPRO-Standards.

Zu den wichtigsten Marktteilnehmern zählen sowohl spezialisierte Start-ups (z. B. Perpetuum, Cymbet) als auch große Industriekonzerne (Siemens, Bosch, ABB), die diese Technologien in ihre Lösungen für das industrielle Internet der Dinge (IIoT) und die vorausschauende Wartung integrieren. Der Schwerpunkt der Entwicklungen liegt auf der Steigerung der Konvertierungseffizienz, der Miniaturisierung und der Integration mit fortschrittlichen drahtlosen Protokollen.

Mögliche Auswirkungen auf Wartung und Reparatur (MRO)

Die Einführung von Energy-Harvesting-Sensoren wird einen transformativen Einfluss auf die MRO-Praxis haben:

• Reduzierung der Betriebskosten: Der offensichtlichste Vorteil ist der vollständige Wegfall der Kosten für Anschaffung, Austausch und Entsorgung von Batterien. Für ein großes Unternehmen mit Tausenden von Sensoren kann dies bis zu 50–150 € pro Sensor und Jahr betragen, einschließlich der Kosten für Batterien und Arbeitsaufwand. Es reduziert auch den Verwaltungsaufwand und die Logistikkosten.
• Verbesserung der Überwachungszuverlässigkeit: Durch die Eliminierung des Risikos eines Sensorausfalls aufgrund einer Batterieentladung wird eine kontinuierliche Datenerfassung gewährleistet, die für die frühzeitige Fehlererkennung von entscheidender Bedeutung ist. Sensoren können an bisher unzugänglichen oder gefährlichen Orten installiert werden, an denen eine Batteriewartung unpraktisch oder gefährlich wäre.
• Erweiterte Analysen und vorausschauende Wartung: Ein konstanter Strom hochdichter Daten von autonomen Sensoren ermöglicht den Einsatz ausgefeilterer Algorithmen für maschinelles Lernen, um den Gerätezustand zu analysieren, Ausfälle mit höherer Genauigkeit vorherzusagen und Wartungspläne zu optimieren. Dies wird dazu beitragen, ungeplante Ausfallzeiten um 15–25 % zu reduzieren.
• Umweltvorteile: Erhebliche Reduzierung des Volumens gefährlicher Abfälle (Altbatterien), was modernen Umweltstandards und -anforderungen entspricht (z. B. ISO 14001).
• Belastbarkeit und Sicherheit: Für ukrainische Unternehmen, die in Umgebungen mit hohem Risiko tätig sind, ist die Fähigkeit, vollständig autonome Überwachungssysteme ohne die Notwendigkeit regelmäßiger Eingriffe bereitzustellen, der Schlüssel zur Erhöhung der Betriebsstabilität und der Personalsicherheit.

Als globale Autorität im MRO-Bereich spielt die UNITEC-D GmbH bei diesem Übergang eine entscheidende Rolle. Wir liefern nicht nur hochwertige Industrieersatzteile, die den EN- und ISO-Normen entsprechen, sondern integrieren auch aktiv neue Technologien in unser Angebot. Dazu gehören Komponenten für Energy-Harvesting-Systeme, kompatible Sensoren und Lösungen zur Nachrüstung bestehender Anlagen zur Unterstützung einer ausfallsicheren Zustandsüberwachung. Unsere Expertise in der Auswahl und Lieferung von Komponenten, die den Anforderungen von DSTU, CE und UkrSEPRO entsprechen, gewährleistet die Zuverlässigkeit und Kompatibilität neuer Systeme.

Zeitplan und Umsetzungskurve: Realistische Erwartungen (2026–2035)

Die Einführung von Energy-Harvesting-Sensoren in der Industrie wird schrittweise, aber stetig erfolgen:

2026–2028: Early Adopters und Nischenlösungen

• Fokus: Kritische Ausrüstung an schwer zugänglichen, gefährlichen oder abgelegenen Orten, an denen die Kosten für den Austausch von Batterien unerschwinglich hoch sind (z. B. Zustandsüberwachung von Turbinenlagern, Ventilen in Chemieanlagen, Elementen von Brückenkonstruktionen).
• Technologien: Hauptsächlich Vibrations- und thermoelektrische Energiegewinnung. Die Anschaffungskosten von EHS-Modulen werden 30–50 % höher sein als bei herkömmlichen Batteriemodulen, aber der Return on Investment (ROI) für diese Nischenanwendungen wird aufgrund erheblicher Wartungseinsparungen 2–4 Jahre betragen.
• Standardisierung: Stärken Sie die Entwicklung von Industriestandards für EHS-Schnittstellen und -Protokolle.

2029–2032: Erweiterte Implementierung und Integration

• Fokus: Neue Industrieanlagen und groß angelegte Modernisierungsprogramme. Breitere Anwendung in Rotationsgeräten, HVAC-Systemen und Rohrleitungen.
• Technologien: Entwicklung kombinierter Energiegewinnungssysteme (z. B. Vibration + Wärme + Licht) zur Verbesserung der Zuverlässigkeit. Miniaturisierung und Effizienzsteigerung. Reduzierung der Kosten für EHS-Module um 15–25 % im Vergleich zur Anfangsphase. Bei den meisten Anwendungen beträgt die Amortisationszeit 1,5 bis 3 Jahre.
• Integration: EHS-Sensoren werden zu einer Standardkomponente von IIoT-Plattformen und bieten einen kontinuierlichen Datenfluss für prädiktive Analysen.

2033–2035: Massenadoption und Dominanz

• Fokus: EHS-Sensoren werden zum De-facto-Standard für die meisten neuen und modernisierten Zustandsüberwachungssysteme. Breite Anwendung in allen Industriezweigen.
• Technologien: Weitere Miniaturisierung, erhöhte Umwandlungseffizienz (bis zu 30–40 % für Vibration, 7–10 % für Thermoelektrizität). Die Kosten liegen nahe bei herkömmlichen batteriebetriebenen Sensoren, wodurch die Gesamtbetriebskosten deutlich niedriger sind.
• Autonomie: Entwicklung