Der Bedarf an grüner Energie ist weltweit zu einem heißen Thema geworden, mit der Erkenntnis, dass wir die Ressourcen der Erde nicht weiter so nutzen können, wie wir es bisher getan haben. Der Trend zu grüner Energie beschleunigt uns in eine grünere und nachhaltigere Zukunft. Es gibt Pläne, den Benzinmotor in unseren Fahrzeugen durch Elektromotoren zu ersetzen und Gas und Kohle durch umweltfreundlichere Technologien wie Windturbinen und Solarenergie zu ersetzen.
Über die Infrastruktur, die für eine solche Umstellung benötigt wird, wurde bisher noch nicht so viel diskutiert. Das Gleiche gilt für die Frage, was mit anderen Produkten passiert, etwa den Konsumgütern, die uns umgeben, und den Sensoren, die den Kern des Internets der Dinge bilden. Wie sollte all dies in der grüneren Zukunft, auf die wir zusteuern, angeheizt werden?
Bisher wurde auch nicht viel darüber diskutiert, woher die Materialien kommen, die wir für diese Zukunft benötigen, und ob wir es uns leisten können, die benötigten Materialien zu extrahieren. Diese Kosten sind sowohl in finanzieller Hinsicht als auch in Bezug auf die Schäden, die dies unserer Umwelt zufügen kann.
Ende 2021 kam Ipsos, der globale Marktforschungs- und Meinungsspezialist, zu dem Schluss, dass die Besorgnis über den Klimawandel die größte Sorge der Öffentlichkeit im Vereinigten Königreich sei. Nach der COP26-Klimakonferenz in Glasgow gaben 4 von 10 Teilnehmern aus der Öffentlichkeit auf Nachfrage an, Umweltthemen als besorgniserregend zu bezeichnen.
In Großbritannien hat BritishVolt kürzlich Pläne zur Entwicklung einer Batterie-„Gigafactory“ im Nordosten Englands angekündigt. Bis zum Ende des Jahrzehnts soll die Fabrik genügend Batteriezellen produzieren, um 300.000 Batteriepakete für Elektrofahrzeuge pro Jahr zu bauen. Dies ist eine von vielen „Gigafactories“, die in ganz Europa geplant sind, um die nächste Generation von Elektrofahrzeugen anzutreiben. Damit diese Fahrzeuge umweltfreundlich sind, müssen sie mit grüner Energie betrieben werden, die von Solar- und Windturbinenparks auf der ganzen Welt nach Hause geliefert wird.
In einem 2020 veröffentlichten Bericht schätzte die Weltbank, dass mehr als drei Milliarden Tonnen Mineralien und Metalle abgebaut werden müssen, damit wir genügend Wind-, Solar- und Erdwärme sowie Energiespeicher einsetzen können, um eine Chance zu haben die Erwärmung auf 2 Grad Celsius bis 2100 zu begrenzen.
Der Bericht der Bank konzentriert sich nur auf wahrscheinliche Verwendungsszenarien, warnt jedoch davor, dass es erhebliche Versorgungsrisiken für Mineralien gibt, die derzeit zu sehr von Produzenten mit einem einzigen Ursprung abhängig sind, wie z. B. Kobalt (Demokratische Republik Kongo) und Graphit (China), oder die erfordern deutliche Erhöhung der Produktionskapazität (Lithium).
Molybdän ist mit einer Produktion von nur 300 Tonnen im Jahr 000 ein viel kleinerer Markt. Und während seine durchschnittliche Verwendung in einer Windkraftanlage nur 2018 % der Mineralzusammensetzung ausmacht, würde eine Steigerung der Wind- und Erdwärmeerzeugung zu einem kumulativen Nachfragewachstum von 0,15 führen Tonnen im gleichen Zeitraum.
Laut einem Bericht der Northwest Mining Association benötigt eine einzige typische 3-MW-Windkraftanlage 335 Tonnen Stahl, 4,7 Tonnen Kupfer, 1.200 Tonnen Beton (Zement und Zuschlagstoffe), 3 Tonnen Aluminium, 2 Tonnen Seltenerdelemente und geringere Mengen an Zink und Molybdän.
Es gibt andere Möglichkeiten, die notwendigen Mineralien zu erhalten. Viele Unternehmen prüfen derzeit, wie sie polymetallische Tiefseeknollen ernten können, die sich in großer Zahl auf den Abgrundebenen der Weltmeere bilden. Die Gewinnung dieser Knollen kann einige erhebliche Vorteile haben, da sie viele seltene und schwer zu beschaffende Metalle enthalten und in Konzentrationen gefunden werden, die viel höher sind als die normalerweise auf der Erde vorkommenden, wo Metallkonzentrationen von mehr als einem Bruchteil eines kleinen Prozentsatzes selten sind. Die Kosten für die Gewinnung dieser Knollen, sowohl in finanzieller Hinsicht als auch in Bezug auf die Zerstörung, die die Ernte für das Ökosystem Ozean verursachen kann, sollten uns Anlass geben, andere Optionen in Betracht zu ziehen.
Die Auswirkungen dieser Änderungen werden auch bei eingebetteten Produkten zu spüren sein, insbesondere bei batteriebetriebenen, da die benötigten Materialien knapper und teurer werden. Das Ziel ist es, grün zu sein: nicht nur in der Verwendung von Materialien, sondern auch in der Lebensdauer des Produkts, wie lange es hält und wie es sicher entsorgt werden kann.
Die Verwendung erneuerbarer Energiequellen zusammen mit den neuesten wiederaufladbaren Batterietechnologien kann Entwicklern helfen, effizientere Produkte zu entwickeln, die länger halten und einfacher herzustellen und sicher zu entsorgen sind.
Energy Harvesting kann die Lebensdauer des Produkts verlängern, indem die Batterie während des Betriebs mit Energie aufgeladen wird, die aus der lokalen Umgebung gewonnen wird. Die Batterie kann kleiner sein und muss nicht ausgetauscht werden, wenn sie entladen ist. Dies reduziert nicht nur die Kosten der Batterie und die physische Größe der Batterie, sondern reduziert auch die Kosten für die langfristige Wartung des Produkts. Da die Batterie nicht ausgetauscht werden muss, wird die Zuverlässigkeit erhöht, da sie an das Produkt gelötet werden kann und es keine Kosten für jemanden gibt, die Batterie auszutauschen oder, schlimmer noch, zu vergessen, die Batterie auszutauschen.
Renesas hat die neue RE01-Familie von Mikrocontrollern entwickelt, die auf ihrem einzigartigen Silicon-on-Thin-Buried-Oxide-Prozess basiert und speziell auf diese Anwendungen abzielt. Die RE01-Familie bietet einen deutlich geringeren Stromverbrauch als die meisten anderen Mikrocontroller auf dem Markt und erreicht im Normalbetrieb 12 µA/MHz. Diese Geräte bieten eine Reihe von Ultra-Low-Power-Funktionen, wie z. B. Ultra-Low-Power-Timer, die nur wenige nA verbrauchen, ADC, der während des Betriebs nur wenige µA verbraucht, und ein BLE-Funkgerät mit geringem Stromverbrauch. Jeder RE01-Mikrocontroller integriert auch einen dedizierten Energy-Harvesting-Controller, der alle Power-Management-Funktionen bereitstellt, die für eingebettete Energy-Harvesting-Stromquellen wie Photovoltaikzellen und Energiespeichergeräte wie wiederaufladbare Batterien erforderlich sind, um ein System voller Energy-Harvesting zu schaffen.
Der RE01B ist der erste Mikrocontroller der RE01-Familie mit integriertem BLE-Funk. Das RE01B ermöglicht die Erstellung hochintegrierter IoT-Sensoren, die Energie aus der Umgebung gewinnen und Firmware-Updates per Funk über On-Chip-BLE-Funk unterstützen können. Der RE01B verfügt über eine einzigartige Speicherarchitektur mit 3 unabhängigen On-Chip-Flash-Speicherbänken mit jeweils 512 KByte Größe, die unabhängig voneinander programmiert und gelöscht werden können. Damit lassen sich Applikationen bauen, die nicht nur die drahtlose Aktualisierung der Firmware ermöglichen, sondern auch die Aktualisierung des BLE-Stacks.
Renesas stellt Designern eine umfassende Dokumentation, Anwendungshinweise und Beispielsoftware zur Verfügung, die eine einfache Integration einer Anwendung ermöglicht, die auf dem RE01B ausgeführt wird. RF-basiertes Design stellt jedoch immer noch eine komplexe Aufgabe dar.
Die PCB-Entwicklung bringt oft einige Herausforderungen mit sich, die Leistungscharakterisierung kann einige Zeit in Anspruch nehmen und in der Zertifizierungsphase können Probleme auftreten. Um Risiken zu reduzieren und die Markteinführungszeit zu verkürzen, hat RELOC (www.reloc.it) ein HF-Modul auf Basis von RE01B entwickelt. Das Modul mit der Bezeichnung RM-BE1 (auf dem Foto links) ist vollständig zertifiziert (CE, TELEC) und bereit, in ein Endprodukt integriert zu werden. Das RM-BE1 ist kompakt und misst nur 27,5 x 15 mm2, enthält jedoch alle wichtigen Funktionen, die zum Erstellen und Verwalten eines eigenständigen HF-Produkts erforderlich sind. Dazu gehören MCUs mit einer Vielzahl von Peripheriegeräten mit geringem Stromverbrauch, BLE-Transceiver, Power Harvesting Manager, Oszillatoren und einer integrierten Antenne (eine Variante mit einem U.FL-Anschluss ist ebenfalls erhältlich). Abhängig von der Endanwendung benötigt das System nur das Hinzufügen einer geeigneten Stromquelle, wie etwa eines kleinen Solarmoduls, und eines Energiespeichers, wie etwa eines Supercaps oder einer wiederaufladbaren Batterie. Das Modul kann von 1.6 – 3.6 V mit CPU-Betrieb bis zu 64 MHz betrieben werden.Die Leistungswerte werden auf 12 µA/MHz bzw. 600 nA für aktive und Standby-Entnahmen reduziert.
Zusätzlich zum RM-BE1-Modul bietet RELOC ein vollständiges Support-Ökosystem, um Kunden dabei zu helfen, ihre Entwicklung in kürzester Zeit und mit so wenig Herausforderungen wie möglich abzuschließen. Das Evaluierungsboard RM-BE1-EVB ist eine benutzerfreundliche Umgebung zum einfachen Entwerfen und Testen einer wartungsfreien Bluetooth-Anwendung mit extrem niedrigem Energieverbrauch. Das Evaluierungsboard ist rechts dargestellt, wobei das Modul auf der Leiterplatte montiert ist. Zusätzlich zum Modul verfügt das Evaluierungsboard über verschiedene Sensoren (T/H/Lux/Beschleunigungsmesser/Mikrofon), Erweiterungsanschlüsse (PMOD, Grove, Arduino), einen integrierten USB-Programmierer und Debug-Kanal, ein Solarpanel-Display und einen Superkondensator. Die Beispiel-Firmware und begleitende mobile RE01B-Apps (verfügbar für Android- und iOS-Geräte) vervollständigen die Demonstration einer batterielosen eigenständigen Lösung, bei der das RE01B Sensorwerte sammelt und Daten über ein BLE-Beacon veröffentlicht.
Das Modul kann direkt von einer Vielzahl von Energiegewinnungsquellen, einschließlich Photovoltaikzellen, mit Strom versorgt werden. Heutzutage sind viele verschiedene Technologien für Photovoltaikzellen verfügbar. Einige verwenden einige der oben erwähnten problematischen Materialien, aber es gibt jetzt viele, die sicherere und einfacher zu handhabende Materialien verwenden, wie z. B. die in Frankreich von Dracula Technologies hergestellten.
Dracula Technologies hat viele Jahre mit der Erforschung organischer Photovoltaikzellen verbracht, was zur Entwicklung von LAYER® führte, einer gedruckten Technologie, die Strom aus Umgebungslicht erzeugt. LAYER® ist die weltweit erste geformte organische Photovoltaikzelle. Die Technologie basiert auf einer einzigartigen Herstellungstechnik, die Digitaldruck verwendet. Genauso wie ein Bürodrucker Tinte verwendet, werden LAYER®-Module mit funktionaler Tinte bedruckt, die speziell von Dracula Technologies entwickelt wurde.
LAYER®-Module haben eine hohe Effizienz bei schlechten Lichtverhältnissen. LAYER® erzeugt Energie aus Umgebungslicht, weil es spezielle Materialien verwendet, die sowohl natürliches als auch künstliches Licht nutzen. Dank des Tintenstrahldrucks kann der Benutzer Module nach Bedarf schnell entwickeln, um die Kundenspezifikationen in Bezug auf Leistung und Design zu erfüllen.
Das Ergebnis ist eine leichte, flexible Zelle, die bei schlechten Lichtverhältnissen hocheffizient ist und eine geringe Umweltbelastung hat.
Auch die Batterietechnologie hat sich in den letzten Jahren durch die Entwicklung sichererer und effizienterer Batterietechnologien weiterentwickelt. Renesas arbeitet mit ITEN (www.iten.com) in Frankreich zusammen, das wiederaufladbare Festkörper-Mikrobatterien herstellt, die in Form von versiegelten SMDs (Surface Mounted Devices) oder QFN-Gehäusen geliefert werden.
Diese Mikrobatterien sind kompakt und passen in ein Volumen von 10-35 mm3. Die 3D-Technologie von RIED ermöglicht eine einfache Anpassung des Formfaktors der Batterien durch Änderung ihrer Fläche und Dicke.
Das wohl Einzigartige an diesen Mikrobatterien ist, dass sie sich bei einer Nennspannung von 2,2-2,5V offensichtlich wie eine Batterie verhalten und Energie lange speichern, aber auf die gleiche Weise auch hohe Leistungen und Stromspitzen liefern können Weg. wie Superkondensatoren. Beispielsweise kann ein 250 bis 500 µAh Mikroakku Spitzenströme von etwa 50 bis 100 mA erzeugen. Dies ist mehr als genug, um Sensoren, HF-Übertragungen und andere Komponenten mit Strom zu versorgen. Dies ist möglich, weil ITEN-Micro-Batterien sehr niedrige Innenwiderstände haben; dies erklärt auch, warum sich diese Micro-Akkus sehr schnell wieder aufladen: 50 % Ladung sind nach Ladezeiten von 60 Sekunden und über 80 % in weniger als 5 Minuten erreicht.
Batterien enthalten kein Lithiummetall oder organische Lösungsmittel, sodass sie absolut sicher sind. Da es sich um SMD handelt, können sie auf standardmäßigen automatisierten Montagelinien montiert und wie andere SMD-Geräte recycelt werden. In diesem Sinne passt das Batterieangebot perfekt zum Geltungsbereich der europäischen Batterierichtlinie, die Unternehmen empfiehlt, bis 2030 auf Knopfzellen in elektronischen Designs zu verzichten. Zumal im Vergleich zu Knopfzellen der CO2-Ausstoß aufgrund des Herstellungsprozesses 200x bis 1000 beträgt mal weniger mit den Festkörper-Mikrobatterien von ITEN
Heute sind verschiedene Kapazitäten von Mikrobatterien von 50 bis 500 µAh erhältlich.
Diese Beispiele gehören zu den Energy-Harvesting- und Energiespeichergeräten der nächsten Generation. In Kombination mit einem Ultra-Low-Power-Mikrocontroller wie der RE01-Familie ermöglichen sie die Entwicklung einer neuen Klasse elektronischer Geräte, die ihre Energie effizient aus der Umgebung gewinnen. Die Verwendung von wiederaufladbaren Batterien reduziert die Größe des Geräts und damit die Menge an Materialien, die zu seiner Herstellung erforderlich sind, wodurch die Umweltkosten gesenkt werden. Die Verwendung der neuesten Materialien bedeutet auch, dass wir sicherere und einfacher zu beschaffende Materialien verwenden können, was besonders wichtig ist, wenn wir Produkte nachhaltig produzieren wollen.
Wenn wir damit beginnen können, Energy Harvesting einzusetzen, um die Leistung der Batterien zu verbessern, die unsere Geräte mit Strom versorgen, werden die Auswirkungen auf die Umwelt geringer, unser Produkt wird nachhaltiger und es wird länger halten.
Mikrocontroller wie der RE01B von Renesas, kombiniert mit Lösungen wie dem Dracula-Layer-Modul und den wiederaufladbaren Festkörperbatterien von Iten, ermöglichen echte Energy-Harvesting-Anwendungen.
Autor: Graeme Clark, leitender Ingenieur, Renesas Electronics
