SIEMENS

Die automatische Armbanduhr macht es schon seit Jahrzehnten vor: Unsere Umgebung ist voller Energiequellen, die für den Antrieb von technischen Geräten genutzt werden können. Im Fall der Zeitmesser nutzt ein raffinierter Mechanismus die ständigen Armbewegungen des Trägers, um die Feder aufzuziehen. Die Uhr läuft, wenn sie nur oft genug bewegt wird – ganz ohne Batterie.
Eine ähnliche Idee steckt hinter den energieautarken Funksensoren, die derzeit Einzug in die Industrie halten: Sie nehmen Messwerte aller Art auf, senden sie per Funk an eine Zentrale und zapfen für ihre Energieversorgung Quellen direkt in ihrer Umgebung an – etwa Licht, Vibrationen, Temperaturdifferenzen oder Strömungen. "Energy Harvesting" nennt sich dies: Energie ernten. Spezielle Wandler "ernten" die Umgebungsenergie, erzeugen Elektrizität und sammeln sie so lange in einem Kondensator, bis genügend für den Betrieb des Sensors zusammengekommen ist.
Die Vorteile: Energieautarke Sensoren lassen sich ohne großen Aufwand installieren, weil die Kabel für die Signalübertragung und die Stromversorgung wegfallen. Und weil auch keine Batterien mehr ausgetauscht werden müssen, sind sie während des Betriebs praktisch wartungsfrei und schonen die Umwelt.
Das spart bares Geld, vor allem bei komplexen Industrieanwendungen: "Der Einsatz von verkabelten Sensoren ist teuer, insbesondere wenn viele Geräte angeschlossen werden sollen – etwa in großen Anlagen wie Stahlwerken oder Papierfabriken", erklärt Dr. Leif Wiebking, Sensor-Spezialist bei Siemens Corporate Technology (CT). "Der Installationsaufwand liegt oft bei über einer Stunde für jeden einzelnen Sensor, im Vergleich zu fünf bis zehn Minuten bei einem Funksensor." In manchen Fällen müssen mehrere Hundert Meter Kabel verlegt werden, die im industriellen Umfeld auch beschädigt werden können – was zu weiteren Kosten während der Lebensdauer der Sensoren führt.
Darum geht die Entwicklung weg vom Kabel und hin zur drahtlosen Datenübertragung – ein Trend, der in den kommenden Jahren an Bedeutung gewinnen wird: Die Marktforscher von ON World rechnen bei Funksensoren mit einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 77 % und prophezeien für das Jahr 2011 ein weltweites Marktvolumen von 3 Mrd. US-$. Attraktive Einsatzfelder sehen sie in der Industrieautomatisierung, der Gebäudesteuerung und der Zustandsüberwachung von Maschinen. "Und weil Funksensoren am meisten Sinn machen, wenn auch Stromkabel und Batterie entfallen, werden sich die energieautarken Geräte eine große Scheibe von diesem Kuchen abschneiden", sagt Wiebking voraus.
Extrem teuer würde eine Verkabelung vor allem bei schwer zugänglichen bestehenden Anlagen, die mit den Sensoren nachträglich modernisiert werden sollen. Nicht zuletzt für solche Szenarien hat Siemens als erstes Unternehmen weltweit energieautarke Funksensoren entwickelt, die auch im harten industriellen Einsatz bestehen können und ganz ohne Kabel auskommen. Mit ihrer Hilfe können Altanlagen besser überwacht und ausgelastet werden, ohne dass der Aufwand für die Nachrüstung ihre Vorteile wieder zunichte macht.
Mögliche industrielle Anwendungen gibt es jedenfalls zuhauf. "Besonders attraktiv sind autarke Funksensoren überall dort, wo sich etwas bewegt oder dreht – etwa Industrieroboter in der Automobilindustrie", erklärt Professor Dr. Leonhard Reindl vom Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg. "Denn dort ist der Aufwand für eine Verkabelung sehr hoch, zudem braucht man bei Drehbewegungen zusätzlich teure Schleifkontakte." Ein weiteres interessantes Feld seien außergewöhnliche Umgebungsbedingungen, wenn etwa Hochspannungen auftreten oder explosionsgeschützte Bereiche überwacht werden sollen.
Auch das Condition Monitoring – die Zustandsüberwachung von Anlagen – ist für den Einsatz von Funksensoren prädestiniert. "Es macht viel Sinn, den Zustand von Maschinen auf möglichen Verschleiß hin zu untersuchen", erklärt Sensorexperte Wiebking. So treten nicht selten Lagerschäden bei Elektromotoren auf – und wenn der Motor kaputt ist, bleibt die Produktion stehen. "Wenn etwa in einem Stahlwerk der Walzenantrieb oder eine Rolle in einer Papiermaschine ausfällt, sind Schäden von bis zu 100.000 € pro Stunde durchaus realistisch."
Mithilfe eines Sensors könnte der Zustand des Lagers regelmäßig überwacht werden, so dass man den Verschleiß rechtzeitig erkennen und die Komponente austauschen kann, wenn die Maschine ohnehin still steht. Dazu wird eine Elektronik von der Größe einer Streichholzschachtel auf den Motor geschraubt, die ungefähr jede Minute sein Schwingungsspektrum analysiert und die Daten per Funk an eine Kontrolleinheit schickt. Bei Auffälligkeiten – wenn die Maschine nicht rund läuft – schlägt sie Alarm, so dass ein Techniker entweder sofort oder beim nächsten geplanten Stillstand das Lager überprüfen und austauschen kann. Besonders praktisch: Auch seine Energie bezieht der Funksensor aus den Vibrationen der Maschine – ein piezoelektrischer Wandler erzeugt aus den Schwingungen ständig elektrische Energie, die in der Zeit zwischen zwei Messungen in einem Kondensator gesammelt wird.