Wie sich ein Smart Home mit Funk statt Kabel realisieren lässt

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Betrieb ohne Batterien dank Energy Harvesting

Der Nachteil vieler Lösungen: Wenn kein Storm von außen zugeführt wird, setzt ein Großteil der Produkte auf Batterien, um die notwendige Energie für Sensoren und Schalter zu produzieren. Das wirkt sich negativ auf die Kosten für Wartung und die Umwelt aus. Alkaline-Batterien, wie sie in den meisten Endkunden-Produkten zum Einsatz kommen, bieten eine theoretische Laufzeit von mehreren Jahren. In der Praxis ist es oft deutlich weniger. Dazu kommt der Arbeitsaufwand für den Austausch einzelner Batterien und – nicht zu vernachlässigen – der ökologische Aspekt.

Batterien sind giftig und dürfen nicht in den normalen Abfallkreislauf eingebracht werden. Selbst Akkus sind keine wirkliche Alternative, auch diese sind zu giftig für den Hausmüll. Die Entsorgung über spezielle Sammelstellen ist zwar einfach, allerdings muss auch hier der Aufwand einberechnet werden, der für die Entsorgung anfällt. Bei einer großen Anzahl von Funksensoren, kann der Vorgang schnell mehrere Mannstunden pro Jahr binden. Tatsächlich hat der Hersteller EnOcean in der Studie „The True Cost of Batteries“ herausgefunden, dass bei einem großen Komplex mit etwa 10.000 Funkeinheiten pro Tag durchschnittlich 30 Batterien gewechselt werden müssen – ein unglaublicher Zeitaufwand.

Moderne Systeme arbeiten jedoch inzwischen mit batterielosen Funkkomponenten. Diese kombinieren die Zuverlässigkeit und Wartungsfreiheit klassischer verdrahteter Lösungen mit der Flexibilität und einfachen Nachrüstbarkeit von Funksystemen. Produkte mit batterieloser Funktechnologie nutzen die Energie, die ihnen die unmittelbare Umgebung zur Verfügung stellt. Dabei haben sich in der Gebäudeautomation vor allem drei Quellen durchgesetzt: kinetische, solarbasierte und thermische Energie. Jede dieser Formen der Energieernte eignet sich für unterschiedliche Produkte.

Elektromechanischer Wandler nutzt kinetische Energie

Bewegung ist eine zuverlässige Energiequelle für verschiedenste Schalter. Im Inneren des Schaltergehäuses setzt ein elektromechanischer Energiewandler (ECO 200) den Tastendruck in elektrische Energie um. Diese stellt er unmittelbar nach der Betätigung zur Verfügung.

Ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo treibt ein kleiner, aber leistungsstarker Magnet einen magnetischen Fluss durch zwei magnetisch leitende Ankerbleche, dieser schließt sich in einem U-förmigen Kern. Um diesen Kern ist eine Induktionsspule gewickelt. Der Kern selbst ist beweglich und kann zwei Positionen einnehmen, in denen er die jeweils gegenüberliegenden Ankerbleche berührt. Das führt zu einem schlagartigen Wechsel des Magnetfelds und damit zu einem Spannungspuls in der Induktionsspule.

Mit einer Energiemenge von 120 µWs reicht jede Betätigung für drei Funktelegramme. Bei Raumtemperatur ermöglicht der Wandler mehr als 1.000.000 Schaltzyklen. Dieses Prinzip der kinetischen Energieernte lässt sich für Licht- oder Jalousieschalter nutzen. Zudem gibt es batterielose Sensoren, die vor Wasserschäden warnen. Quellscheiben am Boden des Sensors dehnen sich aus, sobald sie mit einer Flüssigkeit in Berührung kommen. Diese Bewegung löst den elektromechanischen Wandler und damit ein Funksignal aus. Aufgrund dieser Meldung schließt sich das Ventil der Leitung und der Hausbesitzer erhält eine entsprechende Nachricht auf sein Smartphone.

Miniaturisierte Solarmodule nutzen auch schwaches Licht

Miniaturisierte Solarmodule können die geringe Lichtstärke von Innenlicht nutzen, um Funkmodule mit Strom zu versorgen. Solarbetriebene Sensormodule arbeiten besonders energieeffizient. Soll ein Temperaturmesswert beispielsweise alle 15 Minuten übertragen werden, reichen bei 200 Lux bereits 3,6 Stunden Ladezeit am Tag für einen unterbrechungsfreien Betrieb. Die Solarzelle erzeugt dabei bei 200 Lux eine Spannung von 3 Volt.

Ein zusätzlicher PAS-Ladekondensator (Poly Acenic Semiconductor) sorgt für einen Energievorrat, der Perioden mit fehlender Umgebungsenergie überbrückt. Bei einem komplett aufgeladenen Energiespeicher ist das Modul in absoluter Dunkelheit etwa eine Woche voll funktionsfähig. Lichtenergie ermöglicht eine Vielzahl energieautarker Sensoren, wie Fensterkontakte, Temperatur-, Gas- und Luftfeuchtigkeitssensoren oder auch Lichtsensoren und Präsenzmelder.

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