CO₂-Fußabdrucks von energieautarken Sensorsystemen | Ein Green ICT-Validierungsprojekt

Projektstart:	2025
Projektpartner:	2

Eine zentrale Grundlage des Internets der Dinge bilden drahtlose Sensoren. Sie erfassen Daten, aus denen Informationen zur Optimierung von Maschinen, Anlagen und Prozessen gewonnen werden. Neben Sicherheit, Qualität und Wirtschaftlichkeit spielt dabei auch das Thema Nachhaltigkeit zunehmend eine wichtige Rolle. Vor allem, weil solche Sensoren oft in sehr großen Stückzahlen produziert und eingesetzt werden.

Aus diesem Grund beschäftigte sich eines der im Rahmen des Kompetenzzentrums Green ICT @ FMD gestarteten Validierungsprojekte mit dem CO₂-Fußabdruck der Produktion drahtloser Funksensoren. Auf Basis eines Sensorknotens zur Erfassung von Verbrauchswerten werden unterschiedliche Leistungsverbräuche, Übertragungsraten und Energieversorgungen analysiert – von Primärbatterien bis zu Energy-Harvesting-Lösungen aus Licht oder Temperaturdifferenzen. Die Untersuchung zeigt, wie Laufzeit, Leistungsbedarf und Umgebungsbedingungen den CO₂-Ausstoß verschiedener Realisierungen beeinflussen und unter welchen Bedingungen energieautarke Versorgungskonzepte nachhaltiger sein können.

©Adobe Stock | Montri Thipsorn

Zielsetzung

Drahtlose Sensoren benötigen für ihren Betrieb elektrische Energie zur Versorgung der elektronischen Komponenten. Um eine einfache Installation und einen Einsatz an Stellen ohne kabelbasierte Stromversorgungen zu ermöglichen, wird diese Energie typischerweise durch Batterien bereitgestellt.

Alternativ können drahtlose Sensoren auch über Energy Harvesting mit Energie aus der direkten Umgebung des Sensorknotens versorgt werden. Beispiele für solche Energieformen in der Umgebung sind Licht, Temperaturdifferenzen, Verformungen oder Vibrationen. Hier ist die Größe des benötigten Energy Harvesting Systems abhängig vom Energieverbrauch des Sensorknotens und der Menge an verfügbarer Umgebungsenergie.

Das Ziel des Validierungsprojekts war es daher, die Nachhaltigkeit dieser unterschiedlichen Energieversorgungskonzepte zu bewerten, indem deren jeweiliger CO₂-Fußabdruck systematisch ermittelt und miteinander verglichen wurde.

Vorgehensweise

Um die verschiedenen Varianten der Sensoren und deren Energieversorgung bzgl. ihrer Nachhaltigkeit und Umweltbelastung zu bewerten, wurde der CO₂-Fußabdruck der Produktion aller Bauteile von drei unterschiedlich versorgten Sensorknoten für zwei Use Cases abgeschätzt und verglichen. Im ersten Use Case wurden Daten alle 15 min übertragen, im zweiten Use Case alle 5 min, was einen durchschnittlichen Leistungsbedarf von 400 bzw. 790 µW zur Folge hatte. Dieser Leistungsbedarf musste durch die Energieversorgung gedeckt werden.

Neben einem Sensorknoten, der mit einer Primärbatterie versorgt wurde, hatte ein weiterer Sensorknoten eine Energieversorgung über eine Solarzelle, der dritte wurde über einen thermoelektrischen Generator versorgt. Für die Solarzelle wurde dabei eine Beleuchtungsstärke von 500 Lux über 8 Stunden pro Tag angenommen. Für den Betrieb mit dem thermoelektrischen Generator wurde eine Temperaturdifferenz von 10 K berücksichtigt, die beispielsweise zwischen einem warmen Objekt wie einem Wasser- oder Heizungsrohr oder einem Motor und der Umgebungsluft herrschen kann.

Im Betrieb müssen diese energieautarken Systeme nicht vom Stromnetz gespeist werden, somit ist ihr CO₂-Fußabdruck während des Betriebs gleich null. Die Bauteile der verschiedenen Sensorknoten wurden in Kategorien unterteilt und deren Anteil am gesamten CO₂-Fußabdruck in Diagrammen dargestellt. Bauteilkategorien, deren Anteil kleiner als 5 % war, wurden zusammengefasst.

CO₂-Fußabdruck der Varianten

Abbildung 1: CO₂-Fußabdruck bei Use Case 1

©Fraunhofer IIS; Fraunhofer IZM

Für Use Case 1 ergaben sich die folgenden Werte (Abbildung 1) und deren Aufteilung auf die unterschiedlichen Komponenten. Unter die Anteile, die kleiner als 5 % waren, fallen Kondensatoren, Widerstände, Induktivitäten, Superkondensator, LED, Quarze, Transistoren, Antennen, Schrauben, Transformatoren, TIM und in manchen Fällen auch Dioden, Nylon und der TEG. In allen Fällen waren die beiden größten Anteile am gesamten CO₂-Fußadruck die integrierten Schaltungen (ICs) und die Energieversorgung.

Analyse der Laufzeit: Break-Even-Point

Die Größe und damit der CO₂-Fußabdruck sind bei den Energy-Harvesting-Systemen nur von den Umgebungsbedingungen und dem Energiebedarf abhängig, da diese zusammen mit der Größe die Leistungsausbeute bestimmen. Der CO₂-Fußabdruck ist aber nicht von der Laufzeit abhängig, da die Leistung aus der Umgebung stetig nachgeliefert wird. Bei der Version mit Batterie steigt der CO₂-Fußabdruck dagegen mit Energiebedarf und Laufzeit, da damit auch die Größe der nötigen Batterie und deren CO₂-Fußabdruck anwachsen.

Abbildung 2 zeigt den CO₂-Fußabdruck der Batterielösung für die beiden Use Cases als Funktion der geplanten Lebensdauer. Gleichzeitig sind die CO₂-Fußabdrücke der Energy-Harvesting-Lösungen als konstante Geraden eingezeichnet, da diese ja unabhängig von der geplanten Einsatzdauer sind. Hierbei stellte sich heraus, dass im ersten Use Case der batteriebetriebene Funksensor ab etwa 3,5 Jahren einen größeren CO₂-Fußabdruck als die PV-Lösung hatte und ab 7,5 Jahren einen größeren CO₂-Fußabdruck als die TEG-Lösung hatte.

Der größere Energiebedarf im zweiten Use Case führte dazu, dass die Schnittpunkte der CO₂-Fußabdrücke um circa ein halbes Jahr bei PV bzw. um circa ein ganzes Jahr bei TEG früher auftraten. Das ist darin begründet, dass in beiden Use Cases das PV-Modul einen geringeren CO₂-Fußabdruck pro Mikrowatt Leistung besitzt als der TEG.

Zusammenfassung

Es zeigt sich in bestimmten Szenarien ein geringerer CO₂-Fußabdruck in der Herstellung der Energieversorgung bei der Nutzung von Energy Harvesting im Vergleich zum Betrieb mit Primärbatterien. Beispielsweise wurde errechnet, dass bei einem Leistungsverbrauch eines Funksensors von 800 µW und einer Laufzeit von 10 Jahren der CO₂-Fußabdruck um 50 % reduziert werden kann, wenn statt einer Primärbatterie eine Solarzelle eingesetzt wird, vorausgesetzt, es steht eine Beleuchtungsstärke von 500 Lux für 8 h täglich zur Verfügung.

Dieser CO₂-Fußabdruck ist jedoch abhängig von Umgebungsbedingungen in Form von Beleuchtungsstärke bzw. Temperaturdifferenz, Laufzeit und Energiebedarf des Sensorknotens. Daher wurde im Weiteren der Schnittpunkt ermittelt, an dem die Energieversorgung durch Energy Harvesting den gleichen CO₂-Fußabdruck hatte wie die Versorgung über Batterie (Break-Even-Point).

Validierungsprojekt auf einem Blick
Projektpartner	u. a. Fraunhofer IIS, Fraunhofer IZM
Ziele	Ermittlung des CO₂-Fußabdrucks drahtloser Sensorknoten Vergleich von Primärbatterien und Energy-Harvesting-Lösungen (PV, TEG) Analyse des Einflusses von Leistungsbedarf, Laufzeit und Umgebungsbedingungen Bestimmung des Break-Even-Points zwischen Batterie- und Energy-Harvesting-Versorgung
Förderung	Im Rahmen des Kompetenzzentrums Green ICT @ FMD