Was ist das Internet of Things? Eine Energieperspektive

Das Internet of Things (IoT) kann vieles bedeuten. Für die einen bedeutet es Bluetooth^® Low Energy (BLE) kompatible Geräte, mit denen Smartphones kommunizieren und sogar jedes moderne elektronische Gerät in Sichtweite steuern können. Für andere steht das IoT für allgegenwärtige Sensoren, die an allen möglichen Stellen angebracht werden können, von teuren Vermögenswerten zur Nachverfolgung über die Zustandsüberwachung von Geräten zur vorbeugenden Wartung (besser bekannt als das industrielle IoT oder IIoT) bis hin zu medizinischen Wearables/Implantaten, die Informationen zur Massendatenverarbeitung und Erstellung von Datenanalysen an die Cloud senden.

Die unglaubliche Menge an Datenanalysen und die um sie herum aufgebauten Industrien sind das, was das berühmte Zitat des britischen Mathematikers Clive Humby [1] aus dem Jahr 2006 andeutet, der bemerkte: „Daten sind das neue Erdöl“. Für viele bedeutet das IoT vielleicht nur, dass alles mit dem Zusatz „smart“ versehen wird, vom Toaster bis zu den Fensterläden, auch wenn nicht klar ist, was das für die Technik von heute und morgen verspricht.

Das IoT umfasst batteriebetriebene und stromsparende Systeme, insbesondere in kabellosen Anwendungen wie Fernüberwachung, elektrischem/autonomem Fahrzeugem (EV/AVs), Luft- und Raumfahrt sowie anderen bodengebundenen, großen Verkehrsmittel (z. B., Eisenbahn). Aus der Stromversorgungsperspektive bedeutet dies den großflächigen Einsatz drahtloser Sensornetzwerke (WSN), die in schwer zugänglichen oder gefährlichen Umgebungen wie Ölbohrungen, eingebetteten Strukturen oder Windkraftanlagen platziert werden.

Neben der Verbesserung von Telemetrie, Steuerung und Wartung muss das IoT geringen Stromverbrauch mit effizienten Stromlösungen in Einklang bringen. Viele Geräte nutzen nicht wiederaufladbare Primärbatterien, was langfristig zu enormen Mengen an Batterieabfällen und hohen Wartungskosten führt. Um dieses Problem zu lösen, gewinnen wiederaufladbare Batterien, Kondensatoren und Energy Harvesting zunehmend an Bedeutung. Diese Strategien zur Stromoptimierung definieren das Power-IoT-Ökosystem, das Energiespeicherung, stromsparendes Design und energieeffiziente Kommunikation vereint.

Die Maximierung der Batterielebensdauer ist entscheidend für IoT- und IIoT-Anwendungen, da sie vom Verhältnis zwischen verfügbarer Energiequelle und Systemleistungsbudget abhängt. Während der Fokus oft auf effiziente Stromversorgung gelegt wird, ist die Reduzierung des Energieverbrauchs durch intelligente Energieverwaltung (IPM) ebenso wichtig. Moore’s Law zeigt, dass die Reduzierung des Stromverbrauchs schneller voranschreitet als die Verbesserung der Batteriekapazität. Integrierte Schaltungen (ICs) und MEMS-Sensoren haben ihren Stromverbrauch alle zwei Jahre halbiert, während die Batteriedichte nur alle zehn Jahre verdoppelt wurde.


Die effizienteste Energiequelle ist die, die nicht genutzt wird. Daher konzentrieren sich IPM-Strategien darauf, Geräte nur dann mit Energie zu versorgen, wenn es nötig ist.

Für Entwickler von Stromversorgungen ist Energieeffizienz ein zentrales Ziel. In bestimmten Anwendungen ist die durchgehende Verfügbarkeit der Energie wichtiger als die Effizienz. Industrielle Automatisierung, medizinische Geräte und eingebettete WSNs legen oft mehr Wert auf eine zuverlässige Energieversorgung als auf Effizienz.

Die drahtlose Energieübertragung (WPT) wird oft mit Energy Harvesting verwechselt, obwohl sie eine gerichtete Energiequelle nutzt. Während WPT in Konsumgütern oft ineffizient ist, kann sie in schwer zugänglichen Bereichen wie eingebetteten Sensoren oder medizinischen Geräten entscheidend sein. Zum Beispiel wird bei der WPT in Verbraucheranwendungen Effizienz oft zugunsten von Komfort und Benutzerfreundlichkeit zurückgestellt. In medizinischen Implantaten oder eingebetteten Sensoren hingegen bietet sie eine essenzielle Energieversorgung, wo kabelgebundene Lösungen unpraktisch sind.

Selbst stromsparende IoT-Geräte müssen möglicherweise hohe Isolation aufweisen, wenn sie mit hochspannungsführenden Industrieanlagen verbunden sind. IIoT-Anwendungen erfordern daher breite Eingangsspannungsbereiche, hohe Isolationswerte (kV) und Schutzfunktionen, darunter:

• Überspannungsschutz (OVP)
• Überstromschutz (OCP)
• Übertemperaturschutz (OTP)

Diese Anforderungen gewährleisten eine zuverlässige Energieversorgung und schützen vor elektrischen Gefahren, insbesondere in medizinischen und industriellen Anwendungen.

Das IoT bietet sowohl Vorteile als auch Herausforderungen in Bezug auf die Nachhaltigkeit. Einerseits ermöglicht es präventive Wartung und Effizienzsteigerung, andererseits führt die Massenproduktion von IoT-Geräten zu mehr Batterieabfällen und erhöhter Rohstoffnutzung.

Die ideale Lösung kombiniert Energy Harvesting, um wartungsfreie, selbstversorgende Systeme zu schaffen. Solche Forever-Systems minimieren den Batteriebedarf, verlängern die Lebensdauer und reduzieren Abfall. Künftige Artikel werden das Konzept der „grauen Energie“ und den vollständigen Lebenszyklus von IoT-Geräten untersuchen, um den gesamten CO₂-Fußabdruck von der Rohstoffgewinnung bis zum Recycling zu bewerten.

[1] Wikipedia contributors, "Clive Humby," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Clive_Humby&oldid=1067348557 (abgerufen am 15. April 2022).