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.

Eine Energieperspektive einnehmen

Das IoT bedeutet viele batteriegestützte Systeme mit geringem Stromverbrauch und die Zusammenlegung von Systemen, insbesondere in nicht kabelgebundenen Anwendungen wie Fernüberwachung, elektrische/autonome Fahrzeuge (EV/AVs), Luft- und Raumfahrt/MIL-Anwendungen und andere bodengebundene große Verkehrsmittel (z. B., Eisenbahn). Unter dem Gesichtspunkt der Stromversorgung kann dies den flächendeckenden Einsatz drahtloser Sensornetzwerke (WSN) bedeuten, die in Umgebungen eingebettet sind, zu denen der Zugang unmöglich und/oder sehr kostspielig und/oder gefährlich ist (z. B. tiefe Ölbohrungen, dauerhafte Einbettung in Komponenten, Rotorblätter von Windkraftanlagen).

Es eröffnet auch bisher unerreichte Möglichkeiten der Telemetrie, Kontrolle und vorbeugenden Wartung. Wie diese Aufzählung von unterschiedlichen Systemen und Anwendungen zeigt, kann das IoT/IIoT sowohl in stromsparende als auch in stromintensive Anwendungen integriert werden, selbst wenn die Schaltkreise selbst relativ stromsparend sind.

Bei den meisten „Dingen“ im IoT handelt es sich um Systeme mit geringem Stromverbrauch, die in der Regel mit Batterien, meistens Primärbatterien oder nicht wiederaufladbaren Batterien betrieben werden. In Anbetracht der Tatsache, dass wir in naher Zukunft voraussichtlich Hunderte Milliarden (wenn nicht sogar mehr als 1B) Endgeräte haben werden, bedeutet die Batterieversorgung zur Unterstützung dieses Wachstums eine globale Tragödie in Bezug auf gefährliche Abfälle auf Mülldeponien, wenn wir jeden Tag mehr als 100 Millionen Batterien wegwerfen werden.

Abgesehen von diesen schwerwiegenden Umwelt- oder Nachhaltigkeitsaspekten ist dies in der Regel auch aus rein wirtschaftlicher Sicht ein schlechtes Geschäft, denn selbst wenn all diese kleinen Primärbatterien in großen Mengen sehr billig sind, können die Kosten, wenn sie jemals ersetzt werden müssen, am Ende ein Vielfaches des Gesamtsystems ausmachen (z. B. können die Betriebs- und Wartungskosten die Kapitalkosten stark in den Schatten stellen und die Gesamtbetriebskosten dominieren).

Dieses ökologische Dilemma in Verbindung mit dem sehr geringen Energiebudget vieler dieser Geräte führt zu einem Wertbeitrag für die Nutzung von Sekundärbatterien oder wiederaufladbaren Batterien (oder anderen Energiespeichern wie Kondensatoren) zusammen mit dem Auffangen von Energie aus der Umgebung, auch als Energy Harvesting bekannt. Diese Konvergenz von IoT/IIoT, Energy Harvesting, Energiespeicherung und stromsparender Kommunikation umfasst den Großteil des sogenannten Power-IoT-Ökosystems.

Intelligente Energieverwaltung (IPM)

Die Maximierung der Batterielebensdauer ist bei den meisten IoT/IIoT-Anwendungen von entscheidender Bedeutung, was mit dem Verhältnis zwischen der verfügbaren Leistung (z. B. der Energiequelle) und dem Systemleistungsbudget (z. B. den Lasten) zusammenhängt. Das erweckt den Anschein, dass die meisten technischen Bemühungen und Ressourcen in die Maximierung der verfügbaren Leistung und die Steigerung der Effizienz von Leistungswandlern gesteckt werden, während der Reduzierung des Systemleistungsbudgets weit weniger Aufmerksamkeit geschenkt wird.

Wie in der Abbildung unten gezeigt, stellen Sie sich Ihre Energiequelle als Nenner und Ihr Systemleistungsbudget als Zähler vor. Die Lebensfähigkeit Ihres Systems ist der Wendepunkt, an dem sich diese beiden Größen treffen und man den Zähler viel schneller verringern als den Nenner erhöhen kann. Mit anderen Worten, wenn das Verhältnis < 1 wird.

Es sollte auch berücksichtigt werden, dass viele Überlegungen und Designs in die Frage investiert werden sollten, wie man Bauteile NICHT mit Strom NICHT versorgt. Nichts ist umweltfreundlicher oder effizienter (in Bezug auf die Verlustleistung) als etwas, das ausgeschaltet ist. Der beste Weg zur Optimierung des Energiebudgets eines Systems besteht also darin, herauszufinden, wie man Komponenten ausschalten oder in einem Zustand der minimalen Energieversorgung halten und die Anwendung dennoch nutzen kann.

Stromversorgungen für die Zukunft entwickeln

Da Funkgeräte in der Regel die größten Stromverbraucher in einem IoT/IIoT-Gerätesystem sind, kann das richtige Verhältnis zwischen Sende- und Ruhezeit enorme Auswirkungen auf die Batterielebensdauer haben. Selbst wenn Ihr Temperatursensor in der Lage ist, mit 1 kHz abzutasten, müssen Sie diese Informationen mit dieser Granularität wissen? Noch wichtiger ist die Frage, ob es notwendig ist, diese Datenmenge zu verarbeiten und zu übertragen?

Der wachsende Trend zur Integration von Computern, Sensoren, Funkgeräten, Displays, Motorsteuerung, Energiespeicherung und Energieverwaltung führt zu einer Zunahme der typischen Herausforderungen in Bezug auf Größe, Gewicht und Leistung (auch bekannt als SWaP-Faktoren). Traditionell disaggregierte Systeme werden in immer komplexeren integrierten Komponenten wie System-on-Chip (SoC) oder integrierten Motorantriebssystemen kombiniert.

Die Botschaft dahinter sieht ein wenig widersprüchlich aus, da von steigenden SWaP-Faktor-Herausforderungen die Rede ist, während gleichzeitig die Reduzierung der einzelnen Systemkomponenten erwähnt wird. In Wirklichkeit ist dies nicht ganz so paradox, wie es auf den ersten Blick erscheinen mag, denn die Tendenz der Systementwickler/-integratoren besteht darin, immer so viele Lasten/Funktionen hineinzupacken, wie man es sich leisten kann.

Selbst wenn also die einzelnen Last-Footprints dazu neigen, ihre Thermal Design Power Budgets (TDP) zu verringern, besteht die Tendenz, das gesamte Systemleistungsbudget konstant zu erhöhen. Hier kommen die Ressourcen der Leistungselektronik und der eingebetteten Technik ins Spiel, um zu versuchen, das Systemleistungsbudget durch die Implementierung von IPM-Techniken, wie oben bereits erwähnt, zu minimieren.

Diese Integration erhöht nicht nur die Dichte der Komponenten und Systeme, sondern auch die Komplexität des Stromversorgungsdesigns. Man sollte sich nur alle spezifischen Designregeln/Bedürfnisse und Nuancen einzelner Anwendungen vorstellen, wie z. B. Server in Rechenzentren, Telekommunikations-/Wireless-Basisstationen, Automobile, multivariate Sensorsysteme und kritische Batterie- oder Notstromsysteme. Jeder dieser Industriezweige und Anwendungsbereiche bringt seine eigenen Herausforderungen, speziellen Fähigkeiten, Normen/Vorschriften, Lieferketten, Geschäftsmodelle usw. mit sich.

Was passiert nun, wenn sie zu einem einzigen „intelligenten“ Objekt kombiniert werden? Ein autonomes Fahrzeug ist das Paradebeispiel für diese Konvergenz, denn es vereint alles, was in diesem Absatz erwähnt wurde, in einem einzigen „Kasten“ oder Transportmittel. Hier können die Vorteile des IoT/IIoT genutzt werden, um die Intelligenz und Leistung zu maximieren und gleichzeitig den Energieverbrauch in jedem dieser Teilsysteme zu minimieren. Beispielsweise wird der Nutzen von WSN in diesen Anwendungen manchmal in Kraftstoffeinsparungen für jedes Gramm Verkabelung gemessen, auf welches durch den Einsatz von drahtlosen Implementierungen verzichtet werden kann.

Energieeffizienz verglichen mit reiner Energiebereitstellung

Für jeden Entwickler von Stromversorgungen mag es sich wie eine Kardinalsünde anfühlen, der Energieeffizienz und der Optimierung der Stromübertragung oberste Priorität einzuräumen, aber es gibt Anwendungen, bei denen es im Endeffekt darauf ankommt, die Last um jeden Preis mit Strom zu versorgen. In der industriellen Automatisierung beispielsweise kann ein ungeplanter Stromausfall schwerwiegende Folgen haben. Dieser Punkt kann auch bei Anwendungen, die nur sehr wenig Strom benötigen, in schwer zugänglichen und/oder rauen Umgebungen besonders deutlich werden. Einige Beispiele hierfür sind medizinische Implantate/Geräte oder WSN, die in große Strukturen wie Brücken oder Gebäude eingebettet sind.

Die drahtlose Energieübertragung (WPT) hat in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erregt, manchmal aus Bequemlichkeit für den Verbraucher, manchmal aber auch, um die Herausforderungen der Energieversorgung zu bewältigen. Zum einen ist es wichtig zu unterscheiden, dass viele WPT-Anwendungen fälschlicherweise als Energiegewinnungsmodalitäten eingestuft werden. Auch wenn es sich hierbei eher um ein semantisches Argument handelt, geht es bei WPT in der Regel um die Umwandlung von Energie aus einer gerichteten (in der Regel netzunabhängigen oder wandgebundenen) Quelle, wobei eine der „Leitungen“ zufällig eine drahtlose Verbindung ist. Dies steht im Gegensatz zur echten, umgebungsabhängigen Ableitung von Hochfrequenzenergie (HF).

Für die meisten Verbraucheranwendungen bedeutet WPT in Bezug auf die Energieeffizienz einen Rückschritt, da die Ineffizienz der drahtlosen Übertragung der Verwendung eines kabelgebundenen Wechselstromadapters (auch bekannt als „Infamous wall art”) von vor 20+ Jahren entspricht, einfach weil man sich nicht die Mühe macht, ein Kabel anzuschließen. Wenn man andererseits Daten von einem IoT-Knoten erfassen/verarbeiten/auslesen möchte, der in ein festes Stück Beton eingebettet ist, oder Energie für ein in lebendem Gewebe eingebettetes In-situ-WSN bereitstellen will, kann WPT ungeachtet der Ineffizienz der Stromübertragung sehr sinnvoll sein.

Geringe Leistung kann dennoch eine hohe Isolierung erfordern

Selbst wenn das System oder IoT-Gerät sehr wenig Strom verbraucht und mit niedrigen Spannungen betrieben wird, sollte nicht davon ausgegangen werden, dass es sich in einer getrennten/Sicherheitskleinspannungs-(SELV)-Umgebung befindet. Insbesondere bei IIoT-Anwendungen kann das WSN oder der IoT-Knoten mit einer großen Maschine oder einem Hochleistungssystem verbunden sein, das mit dreiphasigen Spannungen betrieben wird und/oder diese nutzt, was Stromversorgungen mit geringer Leistung erfordert, die mit hohen Eingangswechselspannungen betrieben werden können.

Das bedeutet, dass Stromversorgungslösungen unter Umständen große Eingangsspannungsbereiche unterstützen, eine Isolierung von vielen kV bieten und zahlreiche Schutzfunktionen wie Überspannungsschutz (OVP), Überstromschutz (OCP) und Übertemperaturschutz (OTP) sowie andere Schutzarten enthalten müssen. Auch hier kann es sein, dass all diese Anforderungen in die Stromversorgungslösung integriert werden müssen, selbst wenn sie eine relativ geringe Leistung im 1er- oder 10er-Watt-Bereich liefert. Dies ist auch bei Anwendungen wichtig, bei denen der Mensch, wie z. B. bei medizinischen Geräten und medizinischen Bildgebungsanwendungen, direkt betroffen ist.

Nachhaltigkeit heute und morgen

Wie bereits angedeutet, kann das IoT/IIoT beispiellose Möglichkeiten zur Minimierung des CO2-Footprints sowie der Investitions- und Betriebskosten (CAPEX/OPEX) durch Massendatenverarbeitung, Optimierung des Verbrauchs und vorbeugende Wartung durch Zustandsüberwachung usw. bieten. Gleichzeitig kann das IoT/IIoT auch zu einer beispiellosen Verschwendung von gefährlichen Materialien wie Batterien führen und mehr Edelmetalle, seltene Erden und endliche Gase verbrauchen, als auf der Erde vorhanden sind.

Die Kompatibilität von IoT/IIoT-Technologien mit Energy Harvesting gehört zu den aufregendsten und vielversprechendsten symbiotischen Beziehungen in diesen Märkten, denn das ideale Szenario ist ein Sensorsystem, das sich ständig selbst mit Energie aus der Umgebung versorgt. Dadurch werden nicht nur die kritischen Punkte in Bezug auf die Zuverlässigkeit (d. h. Primärbatterien, Steckverbinder usw.) verringert, sondern auch „ewige“ Systeme ermöglicht, die wartungsfrei arbeiten.

Wie bei den meisten komplizierten Fragen im Leben ist eine wichtige Botschaft, die man mitnehmen kann - nämlich, dass es keine absoluten, einfachen Antworten in Bezug auf Lösungen oder die damit verbundenen Geschäfts- und Amortisationsberechnungen gibt. Man muss viele Faktoren zweiter Ordnung berücksichtigen, wenn man versucht, Leistung und Nachhaltigkeit gleichzeitig zu maximieren.

In künftigen Publikationen werden wir uns mit dem Konzept der „verkörperten Energie“ oder dem Lebenszyklus „von der Wiege bis zur Bahre“ befassen, bei dem der tatsächliche Footprint eines Produkts (in der Regel in Form von Kohlenstoffemissionen und Wasserverbrauch) über einen wirklich umfassenden Lebenszyklus bewertet wird, der von der Gewinnung der Rohstoffe und der Herstellung über die Lebensdauer des Produkts bis hin zur Nachproduktion (d. h. Recycling, Umgang mit gefährlichen Stoffen usw.) reicht.

Referenzen

[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).