Erntezeit. Energy Harvesting ermöglicht die Entwicklung vollständig autonomer Geräte für industrielle Prozesse

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1 Energy Harvesting ermöglicht die Entwicklung vollständig autonomer Geräte für industrielle Prozesse Philipp Nenninger, Marco Ulrich Um Ausfallzeiten weiter zu reduzieren und die Zuverlässigkeit ihrer Anlagen steigern zu können, müssen Anlagenbetreiber mehr über den Funktionszustand ihrer Betriebsmittel wissen. Diese Informationen werden zum größten Teil von Sensoren bereitgestellt. Zusätzliche Sensoren müssen jedoch auch mit Energie versorgt werden, was zusätzlichen Verdrahtungsaufwand und höhere Installationskosten bedeutet. Der Wegfall dieser Verdrahtung würde nicht nur die Kosten, sondern auch die Komplexität des gesamten Prozesses reduzieren. Angesichts des relativ geringen Stromverbrauchs vieler industrieller Sensoren scheint der Einsatz von Batterien eine geeignete Lösung zu sein. Doch durch den regelmäßigen Austausch der Batterien können sich die anfänglichen Einsparungen, die durch den Einsatz drahtloser Sensoren erzielt wurden, schnell relativieren. Eine weitere Lösung ist das sogenannte Energy Harvesting, bei dem Energie aus externen Quellen (Umgebungstemperatur, Bewegung, Wind, Licht) gewonnen und zur Versorgung verbrauchsarmer Elektronik genutzt wird. Umgebungsenergie dieser Art steht in der Prozessindustrie im Überfluss zur Verfügung, und Energy Harvesting beginnt, sich dort zunehmend durchzusetzen. 47

2 1 Batterielebensdauer eines idealisierten Temperatur-Messumformers in Abhängigkeit des Messintervalls Lagerlebensdauer Batterielebensdauer (a) 10 1 Gesamt Standby Aktiv Messintervall (s) D ie drahtlose Technologie hat in den letzten 15 Jahren bedeutende Auswirkungen auf die Gesellschaft gehabt, und die technischen Entwicklungen, die in der Zwischenzeit erzielt wurden, haben dafür gesorgt, dass diese Technologie auch in der Prozessindustrie, insbesondere im Bereich der Betriebsmittelüberwachung (Asset Monitoring) allmählich an Akzeptanz gewinnt. Prozessautomatisierungsanlagen haben für gewöhnlich eine Betriebslebensdauer von rund 20 Jahren. Um in dieser Zeit eine maximale Kapitalrendite zu erzielen, sollte die Auslastung der Anlage so hoch wie möglich sein. Da eine Anlage nur wirtschaftlich betrieben werden kann, wenn alle notwendigen Betriebsmittel einwandfrei funktionieren, ist eine hohe Zuverlässigkeit der einzelnen Komponenten unabdingbar. Dies kann durch ein geeignetes Asset Monitoring erreicht werden, das eine frühzeitige Erkennung möglicher Fehler in der Ausrüstung und die Beseitigung der Ursachen während eines geplanten Stillstands erlaubt. Dazu sind jedoch zusätzliche Sensorinformationen erforderlich. Diese können entweder von bereits installierten Sensoren bereitgestellt werden, die in der Lage sind, die erforderlichen Messwerte zu liefern (z. B. die Differenzdruck-Mess- lässige Kommunikation gewährleistet. Natürlich sind die Weiterleitung von Nachrichten (infolge der vermaschten Netzstruktur) und die erhöhten Anfordeumformer von ABB, die zur Erkennung von verstopften Impulsleitungen (PIL) eingesetzt werden), oder von zusätzlichen Sensoren, die an anderen Stellen im Prozess platziert werden. Sind zusätzliche Sensoren erforderlich, sollten die Installationskosten möglichst niedrig gehalten werden, um einen maximalen Nutzen zu gewährleisten. Da die Verdrahtung und Installation fast 90 % der Gesamtkosten eines Geräts ausmachen können, kann der Einsatz von drahtlosen Geräten sowohl finanziell als auch technisch sinnvoll sein. Wireless-Technologie Drahtlose Lösungen sind bei Weitem keine Neuigkeit in der Prozessindustrie. Tatsächlich wurden die ersten Systeme bereits in den 1960er Jahren eingesetzt. Dabei handelte es sich jedoch vorwiegend um spezielle Produkte für bestimmte Märkte wie den AquaMaster, einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser für den kommerziellen Einsatz von ABB, und Durchflusssummierer für die Ölund Gasindustrie wie das Fernmess- und Automatisierungssystem Totalflow von ABB. Wie bei der Feldbustechnologie benötigt auch eine Wireless-Technologie einen globalen Standard, der von allen führenden Geräteherstellern unterstützt wird, um sich zu etablieren. Ein solcher Standard ist WirelessHART, der erste internationale Standard für die drahtlose Übertragung, der speziell für die Anforderungen von Feldgerätnetzwerken in der Prozessindustrie entwickelt wurde. Da die Verdrahtung und Installation fast 90 % der Gesamtkosten eines Geräts ausmachen können, kann der Einsatz von drahtlosen Geräten sinnvoll sein. Die Netzwerkzuverlässigkeit ist einer der Hauptschwerpunkte der Prozessautomatisierung. Ein Aspekt von drahtlosen Netzwerken, der bedeutende Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit hat, sind vermaschte Netzwerke. Vermaschte Netzwerke bieten räumlich redundante Kanäle zwischen zwei Knoten innerhalb des Netzes durch Weiterleitung von Nachrichten über verschiedene Wege. Dies wiederum erhöht die Fehlertoleranz der Kommunikation und ermöglicht die Realisierung von Netzwerken, die sowohl gegen den Ausfall von Kommunikationsverbindungen als auch von Routergeräten tolerant sind. Durch die räumliche Redundanz von vermaschten Netzwerken wird auch in ISM-Bändern (Industrial, Scientific, Medical) eine zuver- 48 ABB technik 1 11

3 2 Durch Energy Harvesting kann Energie aus industriellen Prozessen in elektrische Energie umgewandelt werden. 3 Ein vollständig autonomer Temperatur- Messumformer Sonnenstrahlung Vibration Strömung Wärme rungen an die Datensicherheit mit einem zusätzlichen Energiebedarf verbunden, der durch Energieoptimierung ausgeglichen werden muss. Energieoptimierung Hinsichtlich der Optimierung des Energieverbrauchs gibt es einige bedeutende Unterschiede zwischen drahtgebundenen und drahtlosen Netzwerken, die im Folgenden am Beispiel des drahtgebundenen Temperatur-Messumformers TTH300 von ABB veranschaulicht werden sollen. Der TTH300 wird von der 4 20-mA-Stromschleife gespeist und misst zum Beispiel den Widerstand eines Pt100-Temperaturfühlers in Vierleiterschaltung (und somit die Temperatur an der Sensorspitze) in sehr kurzen Zeitintervallen, die je nach Sensortyp und Konfiguration bei 100 ms liegen können. Da die 4 20-mA-Stromschleife kontinuierlich bis zu 40 mw Leistung liefert, ist das Gerät durch die Leistung begrenzt, die es aufnehmen kann, während die vom Gerät verbrauchte Energie irrelevant ist. Ein drahtloser Sensor hingegen muss die Temperatur nicht mehrere Male pro Sekunde messen, da die meisten drahtlosen Netzwerke für die Prozessindustrie solch kurze Aktualisierungsintervalle nicht sinnvoll unterstützen. Zwischen den Messungen muss der Messumformer lediglich seine Aufgabe im Netzwerk erfüllen, d. h. Nachrichten für andere Knoten weiterleiten. Die übrige Zeit kann die Elektronik in einem Stromsparmodus verbleiben, in dem keine Verarbeitung oder Messungen stattfinden und nur ein Bruchteil der Leistung benötigt wird. Der Leistungsbedarf des Geräts im Stromsparmodus kann anhand der Leistungs- aufnahme im aktiven Modus, im Stromsparmodus und während des Arbeitszyklus näherungsweise ermittelt werden. Beim TTH300 entspricht der Arbeitszyklus ungefähr der Zeit, die der Sensor zur Aktualisierung benötigt. Lässt man die Selbstentladung der Batterie außer Acht, kann die Batterielebensdauer eines batteriebetriebenen Messumformers grob geschätzt werden. Diese Schätzung ist für ein ideales Gerät in 1 dargestellt. Energy Harvesting Ein regelmäßiger Austausch von Batterien ist nicht immer eine Option, da hierdurch je nach Konfiguration der Anlage die durch den Einsatz drahtloser Geräte erzielten Einsparungen schnell relativiert werden. Stattdessen gilt Energy Harvesting (EH) als eine mögliche Lösung zur Realisierung vollständig autonomer Geräte. Beim Energy Harvesting (wörtl. Energie-Ernten ) wird Energie aus der Prozessumgebung in nutzbare elektrische Energie umgewandelt, die wiederum zur Versorgung drahtloser Geräte genutzt wird. Zu den typischen Energiequellen gehören heiße und kalte Prozesse, Sonnenstrahlung, Vibrationen sowie die kinetische Energie von fließenden Medien oder sich bewegenden Teilen. Die am häufigsten eingesetzten Mechanismen sind photovoltaische, thermoelektrische und kinetische Wandler. Photovoltaische Umwandlung Obwohl die Photovoltaik heute eine robuste und etablierte Technologie darstellt, ist ihr Einsatz im Innenraumbereich nur beschränkt möglich. Während im Freien Bestrahlungsstärken von rund W/m² erreicht werden können, Beim Energy Harvesting wird Energie aus der Prozessumgebung in nutzbare elektrische Energie umgewandelt. Fußnote 1 Der 1821 von Thomas Johann Seebeck entdeckte Seebeck-Effekt beschreibt das Phänomen, dass zwischen zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern oder Halbleitern eine Spannung entsteht, wenn ein Temperaturunterschied herrscht. 49

4 4 Der Mikro-TEG ist nur 8 mm² groß und liefert dennoch hohe Ausgangsspannungen. 5 Numerische thermische Simulationen Quelle: Micropelt GmbH Prozesstemperatur: 80 C (rot) Umgebungstemperatur: 25 C (blau) liegen die Werte im Innenraumbereich typischerweise bei 1 W/m² [1], d. h. die nutzbare Energiemenge ist eher begrenzt. Thermoelektrische Umwandlung Thermoelektrische Generatoren (TEG) nutzen den Temperaturunterschied zwischen heißen oder kalten Prozessen und der Umgebung, um Wärmeenergie mithilfe des Seebeck-Effekts1 [2] in elektrische Energie umzuwandeln. Der Wirkungsgrad von TEGs ist zwar recht niedrig (typischerweise unter 1 %), doch die Technologie ist recht robust und stabil. Besonders in der Prozessindustrie stehen häufig große Temperaturreservoire und damit große Wärmemengen zur Verfügung. Die von handelsüblichen TEGs bereitgestellte Leistung reicht aus, um eine Vielzahl von drahtlosen Sensorknoten in unterschiedlichen Szenarios zu versorgen. Kinetische Umwandlung Die direkte Umwandlung von mechanischer Bewegung, z. B. in Form von Vibrationen, in elektrische Energie kann mithilfe verschiedener Mechanismen erreicht werden: Elektromechanische Mechanismen nutzen eine flexibel gelagerte Spule, die sich im statischen Magnetfeld eines kleinen Permanentmagneten bewegt. Dadurch wird gemäß des Faraday schen Gesetzes eine Spannung induziert. Piezoelektrische Wandler basieren auf piezoelektrischen Materialien. Durch kinetische Bewegung wird eine seismische Masse verschoben, die wiederum eine mechanische Belastung auf das piezoelektrische Material ausübt. Elektrostatische Wandler basieren auf einem geladenen einstellbaren Kondensator. Werden mechanische Kräfte auf den Kondensator ausgeübt, so wird gegen die Anziehungskraft der entgegengesetzt geladenen Kondensatorplatten Arbeit verrichtet. Durch die Veränderung der Kapazität wird in einem geschlossen Stromkreis ein Stromfluss induziert. ABB hat einen autonomen Temperatur- Messumformer mit einem vollständig integrierten EH- System entwickelt. Alle diese Prinzipien basieren auf einem mechanischen Resonator, und die Systeme können nur dann eine angemessene Leistung liefern, wenn die Resonanzfrequenz des Geräts der externen Erregungsfrequenz entspricht. So ist zum Beispiel die Nutzung von vibrationsbasierten EH-Systemen (sog. Vibrations- Harvestern) beim Einsatz von Frequenzumrichtern innerhalb des Prozesses nur beschränkt möglich. Systemkomponenten und architektur Energy Harvesting kann ein diskontinuierlicher Prozess sein: Bei photovoltaischen Anwendungen im Freien führen Tag- und Nachtzyklen zu einer schwankenden Versorgung. Anlagenstillstände können die Prozesstemperaturen und somit die Energieabgabe von TEGs beeinflussen, und Frequenzumrichter können sich auf den Energieertrag von Vibrations-Harvestern auswirken. Andererseits kann es Zeiten geben, in denen die EH- Systeme mehr Energie liefern als tatsächlich benötigt wird. Das Verbrauchprofil von typischen drahtlosen Sensorknoten ist ebenfalls diskontinuierlich: Abhängig vom Arbeitszyklus und der Aktualisierungsrate des Sensors können Spitzenlasten auftreten, die gepuffert werden müssen, da die EH-Systeme nicht in der Lage sind, die kurzzeitigen hohen Ströme zu unterstützen. Grundsätzlich benötigt jedes EH-System einen Puffer, um Zeiten zu überbrücken, in denen der Wandler nicht genügend Energie für den Sensorknoten liefern kann. Typische Puffer sind: Spezielle Super- oder Hybridschichtkondensatoren, die hohe Spitzenströme tolerieren Wiederaufladbare Sekundärzellen Herkömmliche Primärzellen. Diese können zwar keine überschüssige Energie vom EH-system speichern, können aber die Versorgung sicherstellen, wenn das System dazu nicht in der Lage ist. Typische industrielle Primärzellen. Diese besitzen eine lange Haltbarkeit mit einer geringen Selbstentladung und stellen eine zuverlässige Pufferalternative dar. Herkömmliche Sekundärzellen auf Lithium-Ionen-Basis können nur einer begrenzten Anzahl von Lade-/Entladezyklen unterzogen werden. Für eine wirklich autonome Stromversor- 50 ABB technik 1 11

5 Vollständig autonome Geräte werden dabei helfen, eine bessere Steuerung industrieller Prozesse zu ermöglichen. gung benötigen EH-Geräte und Puffer ein geeignetes Energiemanagementsystem. Dieses hat zwei Hauptfunktionen: Anpassen der Ausgangsspannung und des Stroms vom EH-System an die Anforderungen des Verbrauchers Nahtloses Umschalten zwischen den Puffersystemen und den verschiedenen EH-Quellen Vollständig autonome Geräte können dabei helfen, industrielle Prozesse besser zu verstehen und somit rentabler zu gestalten. Autonomer Temperatur-Messumformer von ABB Die ABB-Forschung hat einen komplett autonomen Temperatur-Messumformer mit einem vollständig integrierten EH- System auf der Basis von thermoelektrischen Generatoren entwickelt 3. Die TEGs wurden so in das Gerät integriert, dass die Handhabung, Stabilität und der Formfaktor des Messumformers unverändert bleiben, während die Lebensdauer und Funktionalität erheblich verbessert werden. Das Gerät verfügt außerdem über eine intelligente Pufferlösung, die die Versorgung sicherstellt, wenn die Prozesstemperatur einmal nicht ausreicht, um genügend Energie zu liefern. Aufgrund der vorgegebenen Größe des gewählten Temperatur-Messumformers war eine Integration herkömmlicher TEGs, die normalerweise eine mikroskopische Größe von 10 bis 20 cm² haben, nicht möglich. Stattdessen wurden neuartige mikrothermoelektrische Generatoren (sog. Mikro-TEGs) eingesetzt, die in einem waferbasierten Fertigungsverfahren [4] hergestellt werden 4. Die größte Herausforderung bei der Integration beider Geräte bestand darin, die Stabilität und Robustheit des Messumformers zu erhalten. In den meisten Fällen ist der Prozess wärmer als die Umgebungsluft, sodass die heiße Seite der TEGs mit möglichst optimaler thermischer Leitfähigkeit an den Prozess gekoppelt werden muss. Um den Wärmestrom durch die TEGs zu maximieren, wurden umfangreiche numerische Simulationen durchgeführt 5. Die andere (kalte) Seite muss gekühlt werden und ist daher über einen Kühlkörper mit der Umgebungsluft gekoppelt. Um Anwendungen gerecht zu werden, in denen das Prozessrohr von einer dicken Isolierung umgeben ist, muss der Kühlkörper in ausreichendem Abstand positioniert werden. Bei einem Mindesttemperaturunterschied zwischen dem Prozess und der Umgebung von etwa 30 K ist das System in der Lage, genügend Energie sowohl für die Messtechnik als auch die drahtlose Kommunikation zu liefern. Bei Temperaturgefällen von mehr als 30 K wird mehr Energie gewonnen als benötigt wird. Dieser Überschuss könnte zum Beispiel genutzt werden, um schnellere Aktualisierungsraten zu ermöglichen. Blick in die Zukunft Der durch EH gespeiste Temperatur- Messumformer löst ein zentrales Problem von drahtlosen Sensorknoten: Der regelmäßige Austausch von Primärzellen ist nicht mehr erforderlich, was wiederum dabei hilft, die Gesamtbetriebskosten zu senken. Auch wenn sich Energy Harvesting nicht für alle Sensoren unter allen Umständen eignet, stellt es doch eine praktikable Versorgungsmöglichkeit für eine Vielzahl von Geräten dar. Vollständig autonome Geräte können dabei helfen, industrielle Prozesse besser zu verstehen und somit rentabler zu gestalten. Philipp Nenninger Marco Ulrich ABB Corporate Research Ladenburg, Deutschland philipp.nenninger@de.abb.com marco.ulrich@de.abb.com Literaturhinweise [1] Müller, M., Wienold, J., Reindl., L. M. (2009): Characterization of indoor photovoltaic devices and light. Conference Record of the IEEE Photovoltaic Specialists Conference: [2] Vining, C. B. (2001): Semiconductors are cool. Nature, 413 (6856): [3] Nenninger, P., Ulrich, M., Kaul, H. (2010): On the Energy Problem of Wireless Applications in Industrial Automation. Proceedings of the IFAC Symposium on Telematics Applications: [4] Nurnus, J. (2009): Thermoelectric thin-film power generators self-sustaining power supply for smart systems. Proceedings of smart sensors, actuators and MEMS IV: Vol Dresden Titelbild So wie Getreide zur Herstellung von Lebensmitteln geerntet wird, kann Energie aus der Umgebung geerntet werden, um Strom zu erzeugen. 51