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Energy Harvesting: Piezo- und thermoelektrische Anwendungen

Überall wo Bewegung herrscht, fließt Energie. Hier lohnt es sich genau hinzuschauen, ob diese Energie geerntet und für Sensoren, drahtlose Senderempfänger oder Displays eingesetzt werden kann. Selbst kleine Temperaturunterschiede reichen aus, um diese Geräte mit Strom zu versorgen. Grundlage des sogenannten Energy Harvesting bilden piezo- und thermoelektrische Effekte. Dass diese Form der Stromerzeugung keine reine Fiktion mehr ist, zeigen viele Neuentwicklungen, die auf ihren Praxiseinsatz warten.

Durch den piezo- und thermoelektrischen Effekt kann mechanischer Druck in elektrische Spannung umgewandelt werden. So kann auch aus menschlicher Bewegungsenergie Strom gewonnen werden. (Foto: energie-experten.org)

Durch den piezo- und thermoelektrischen Effekt kann mechanischer Druck in elektrische Spannung umgewandelt werden. So kann auch aus menschlicher Bewegungsenergie Strom gewonnen werden. (Foto: energie-experten.org)

So funktioniert der Piezo-Effekt

Energie lässt sich durch den piezo- und den thermoelektrischen Effekt ernten. Der piezoelektrische Effekt wandelt mechanischen Druck in elektrische Spannung um. Der Piezoeffekt basiert auf der Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden. Umgekehrt verformen sich Materialien bei Anlegen einer elektrischen Spannung. Als Energieerzeuger sind insbesondere Piezozünder bekannt. Mit Piezozündern lassen sich zum Beispiel Schritte in einer Fußgängerzone in Strom umwandeln oder Funklichtschalter mit Piezo-Strom versorgen.

Grundlage des thermoelektrischen Effekts

Der thermoelektrische Effekt basiert hingegen auf Temperaturunterschieden. Besteht z. B. eine Temperaturdifferenz entlang einer Metallstange, so entsteht zwischen den Enden dieser Stange ein elektrisches Feld. Diesen Effekt entdeckte Thomas Johann Seebeck bereits 1821. Legt man umgekehrt Strom an die Verbindungsstellen an, so ergibt sich ein Temperaturgefälle. Thermoelektrische Materialien lassen sich somit zur Stromerzeugung als auch zur Kühlung einsetzen.

Energy Havester im Autoreifen

Am belgischen Forschungszentrum IMEC wurde ein Energy Havester entwickelt, der aus der Fahrbewegung des Autos Energie gewinnt. Der Energy Havester funktioniert mit einem Piezo-Element und wird direkt in einen Autoreifen integriert. Das Piezo-Element gewinnt dann Energie aus den auftretenden Vibrationen und Stößen. Laut IMEC lassen sich bei einer Geschwindigkeit von 70 km/h konstant 42 µW gewinnen. Diese Energie ließe sich dann nutzen, um z. B. ein Reifendruckkontrollsystem zu betreiben.

Teelicht treibt Lampe an

Das amerikanische Tellurex hat eine thermoelektrische Anwendung auf Basis eines Teelichts entwickelt. Das Teelicht erwärmt dabei ein Leitermaterial, das durch diesen Temperaturunterschied wiederum Strom erzeugt. Über einen USB-Anschluss kann dann z. B. eine Lampe mit Leuchtdioden betrieben werden. So wird aus dem diffusen Licht des Teelichts ein helles Licht, das sich als Lese- oder Nachttischlampe eignet. Tellurex bietet basierend auf diesem Prinzip auch einen mobilen Akku an, über den ein Smartphone oder ein MP3-Player aufgeladen werden kann.

Handy-Akku durch Temperaturunterschiede laden

Um den Akku eines Handys aufzuladen, haben US-Wissenschaftler eine Methode entwickelt, mit der Temperaturunterschiede in Strom umgewandelt werden können. Immer dann, wenn man das Mobiltelefon in die Hand nimmt, entsteht dann eine Spannung. Grundlage bildet das thermoelektrische Gewebe "Power Felt". Dieses besteht aus Kohlenstoffnanoröhrchen, die in elastische Kunststofffasern eingeschlossen sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich dieser Stoff wesentlich günstiger herstellen ließe als andere thermoelektrische Materialien.

Beim Schreiben Strom erzeugen

Dass sich der piezoelektrische Effekt auch in den Büroalltag sinnvoll integrieren lässt, zeigt ein australisches Forscherteam am Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT). Hier wurde ein serientaugliches Verfahren entwickelt, mit dem sich beim Schreiben auf der PC-Tastatur Strom erzeugen lässt. Die Grundlage bildet ein piezoelektrischer Dünnfilmgenerator, der bei jedem Tippen auf die Tastatur eine Spannung erzeugt. Diese Entwicklung hat jedoch noch wesentlich mehr Anwendungsgebiete und könnte z. B. auch als Stromlieferant in einem Herzschrittmacher eingesetzt werden.

Sie kennen weitere, interessante Energy Harvesting-Anwendungen? Dann schreiben Sie uns. Gerne werden wir Ihre Vorschläge in einem weiteren Beitrag vorstellen.

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"Energy Harvesting: Piezo- und thermoelektrische Anwendungen" wurde am 30.09.2012 verfasst