Energieerntende Elektronik: Von der CES 2025 zu einer zukunft ohne Batterien

Die Elektronikindustrie steht am Rande einer stillen Revolution. Jahrzehntelang haben unsere Geräte – von intelligenten Sensoren und Wearables bis hin zu Fernüberwachungen – auf Einwegbatterien gesetzt, die teuer im Austausch und schwer zu recyceln sind. Doch was wäre, wenn diese Geräte sich selbst mit Energie versorgen könnten?

Dank Durchbrüchen im Bereich der Energiegewinnung werden selbstversorgende Geräte zur Realität. Von kinetischen Generatoren bis zu photovoltaischen Hybriden erfassen neue Energiegewinnungskomponenten die umgebende Energie und wandeln sie mit wachsender Effizienz in Elektrizität um. Das Ergebnis? Elektronische Systeme, die autonom für Jahre funktionieren können, entweder völlig ohne Batterie oder durch drastische Verlängerung der Batterielebensdauer.

Die Revolution der Selbstversorgenden Energie

Bei der Consumer Electronics Show 2025 in Las Vegas stellten Dutzende von Unternehmen praktische Anwendungen der Energiegewinnung vor, was den Wandel hin zu nachhaltiger, wartungsfreier Elektronik signalisiert. Hier ein Blick auf einige der herausragenden Innovationen der CES, die batteriefreie Systeme nicht nur möglich, sondern praktikabel machen.

Elektromagnetische Induktion und Kinetische Energiegewinnung

Wie kann Bewegung sinnvoll Energie erzeugen? WePower Technologies beantwortete dies auf der CES 2025 mit der Gemns^™ Energy Harvesting Generator Produktlinie. Die elektromagnetische Induktionstechnologie des Unternehmens nutzt permanente, oszillierende Magnete, um Elektrizität aus Bewegung zu erzeugen, und liefert eine 30-mal größere Energieausbeute (im Millijoule-Bereich) als bestehende Technologien zur kinetischen Energiegewinnung (typischerweise im Mikrojoule-Bereich).

Diese überlegene Effizienz resultiert aus der einzigartigen oszillierenden Magnetkonfiguration von WePower, die die Flussdichte maximiert und gleichzeitig den mechanischen Widerstand minimiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen kinetischen Erntemaschinen, die auf lineare Bewegung angewiesen sind, beinhaltet ihr Design spezialisierte magnetische Polanordnungen, die auch bei subtilen Bewegungen höhere induzierte Spannungen erzeugen und so einen größeren Prozentsatz der mechanischen Energie effektiv in elektrische Ausgabe umwandeln. Auf der Messe demonstrierte WePower praktische Implementierungen dieser Technologie in Wasserleckdetektoren und Industriesteuerungen.

Mit einem ähnlichen Ansatz entwickelten Forscher des MIT einen batteriefreien Sensor, der Energie aus magnetischen Feldern um elektrische Leitungen herum erntet und so eine Echtzeit-Temperaturüberwachung ohne externe Stromquellen ermöglicht.

SMK Electronics' Selbstversorgendes Stromversorgungsmodul (SCPS) Coin Battery Module erhielt einen CES 2025 Innovationspreis für die Schaffung des ersten Energieerntemoduls der Branche, das standardmäßige CR2032-Knopfzellenbatterien ersetzen kann. Dieser Durchbruch könnte helfen, Milliarden von Knopfzellenbatterien, die in Sensoren, Tags und Trackern verwendet werden, auszumustern.

AI-gesteuerte Optimierung und Energiemanagement

Integrierte KI und maschinelles Lernen verbessern Energieerntesysteme durch die Optimierung des Energiemanagements. KI-gestützte Algorithmen passen Erntestrategien in Echtzeit an, um die Effizienz aus Quellen wie Sonnen-, Wärme- oder Vibrationsenergie zu maximieren. KI ist zunehmend das Gehirn hinter der Energieautonomie und hilft Geräten, intelligentere, spontane Entscheidungen zur Stromversorgung zu treffen. 

Auf der CES 2025 stellte e-peas ihre AEM13920 Dual-Source-Energieerntungsintegrierten Schaltkreise vor, die die Energieoptimierung aus licht- und bewegungsbasierten Quellen ermöglichen. Ihre Demonstrationen von Bewegungserkennung, Türsensorik und Kohlendioxidüberwachung bestätigten, dass praktische, batteriefreie Anwendungen nun machbar sind. CEO Geoffroy Gosset betonte, dass "Energieautonomie für intelligente Häuser und Gebäude zunehmend kritisch wird", da Entwickler bestrebt sind, Umweltauswirkungen und Kosten für den Batteriewechsel zu eliminieren.

Elektrostatische Generatoren und Energiemanagementeinheiten

Forscher haben hochleistungsfähige Energiemanagementeinheiten (EMUs) entwickelt, die Impedanzungleichheiten in elektrostatischen Generatoren adressieren und die Effizienz um bis zu 50% steigern. Diese neuen EMU-Designs beinhalten Funkenstreckenröhren und Abwärtswandler, die direkte Stromausgaben von bis zu 79,2 mW m⁻² rps⁻¹ in rotierenden Elektretgeneratoren erreichen. Dieses Ausgabenniveau macht diese Einheiten zu einem starken Kandidaten für die Stromversorgung von Sensoren in robusten Umgebungen, wo Zuverlässigkeit essenziell ist und Verkabelung nicht machbar ist. 

Photovoltaik- und Hybridsysteme

Dank Fortschritten in der Solartechnologie wie transparenten und flexiblen Zellen bleibt die Lichtenergieernte dominant und wird zunehmend in Hybridsysteme integriert. EnOcean’s batterielose Sensoren nutzen beispielsweise Sonnenlicht oder Bewegung, um drahtlose Schalter und Umweltüberwachungssysteme zu betreiben. 

Derartige Hybridsysteme, die mehrere Energiequellen kombinieren, gewinnen an Zugkraft, exemplarisch durch das von der Northeastern University entwickelte, blattinspirierte Gerät, das Energie aus Regentropfen und Wind einfängt. Durch die Kombination von Quellen wie Sonne, Wind und Bewegung reduzieren Hybrid-Erntemaschinen das Risiko von Energielücken, was für Gesundheitsmonitore, Infrastruktursensoren und andere entfernte Geräte essenziell ist.

Markttrends und Wachstumstreiber

Branchenschätzungen prognostizieren, dass der globale Markt für Energiesammelsysteme mit einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 9 bis 11% wachsen wird, und erwarten, dass er bis spätestens 2030 mehr als 2,5 Milliarden Dollar übersteigen wird. Schlüsselfaktoren für dieses Wachstum sind:

• Verbreitung des IoT:Drahtlose Sensornetzwerke in intelligenten Städten, im Gesundheitswesen und in der industriellen Automatisierung benötigen nachhaltige Energiequellen, um Batterieabfall zu reduzieren.
• Staatliche Anreize:Politische Rahmenbedingungen, die die Annahme grüner Energie fördern, insbesondere in Nordamerika, treiben die Markterweiterung voran.
• Technologische Miniaturisierung:Fortschritte in der Niedrigenergieelektronik und Energiespeichersystemen treiben die Schaffung zunehmend kompakter, effizienter Geräte voran.

Anwendungen und Implementierung

Intelligente Infrastruktur und IoT

Intelligente Infrastruktur nutzt bereits Umgebungsenergie, um Beleuchtung, HVAC und Verkehrssysteme zu betreiben. Kinetische und solare Komponenten steuern Beleuchtung und HVAC ohne Batterien, während LoRaWAN^®-fähige Geräte mit fortschrittlichen ICs mit minimaler Infrastruktur langreichweitige Kommunikationsnetzwerke aufrechterhalten. Diese Anwendungen zeigen, wie Umgebungsenergie autonome Überwachung und Steuerung in städtischen Landschaften antreiben kann.

Medizinische und tragbare Technologie

Energiegewinnung ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb ohne Nachladen für medizinische Geräte, die Vitalzeichen überwachen. Beispielsweise nutzen tragbare Glukosemonitore und Herzfrequenzmesser nun Körperwärme, um sich selbst mit Energie zu versorgen, was Patienten von häufigen Aufladungen oder Batteriewechseln befreit.

Industrieautomation

In Produktionsumgebungen, in denen Vibrationen oder thermische Sensoren Ausrüstungsanomalien ohne verkabelte Verbindungen erkennen können, bieten sich einzigartige Möglichkeiten für die Energiegewinnung. EMU-verstärkte elektrostatische Generatoren sind besonders wirksam in rauen industriellen Umgebungen und versorgen verteilte Sensornetzwerke für die vorausschauende Wartung.

Herausforderungen bei der Einführung und zukünftige Richtungen

Trotz erheblicher Fortschritte in den letzten Jahren stehen Technologien zur Energiegewinnung heute vor mehreren Herausforderungen bei der Implementierung:

• Initiale Integrationskomplexität: Spezialisierte Komponenten und Anpassungsanforderungen erhöhen die Implementierungskosten.
• Energieintermittenz: Umgebungsenergiequellen wie Sonne oder Vibration unterliegen natürlichen Schwankungen, was fortschrittliche Speichersysteme und intelligente Energiemanagementlösungen erfordert.
• Materialbeschränkungen: Während Materialien wie flexible Solarzellen und piezoelektrische Polymere weiterentwickelt werden, steht die Massenproduktion von Hybridsystemen noch am Anfang.

Im Zeitraum von 2025 bis 2030 werden mehrere entscheidende Entwicklungen die Evolution der Technologie in diesen Schlüsselbereichen prägen:

• AI-gesteuerte Energieorchestrierung: Eine tiefe AI-Integration wird eine dynamische Leistungsoptimierung, prädiktive Analysen und selbstheilende Systeme ermöglichen, die die Effizienz maximieren.
• Fortgeschrittene Nanomaterialien: Durchbrüche bei triboelektrischen Nanogeneratoren und selbstheilenden Beschichtungen werden die Umwandlungseffizienz erheblich steigern.
• Hybride Multi-Quellen-Systeme: Geräte, die solare, thermische und Vibrationsenergie kombinieren, werden zum Standard und mindern die Einschränkungen von Ansätzen mit nur einer Energiequelle.
• Erweiterung über das IoT hinaus: Die Energiegewinnung wird zunehmend größere Systeme versorgen, einschließlich Beschilderung, Verbraucherelektronik und Elementen der Verkehrsinfrastruktur.

Heute planen für die Energiegewinnung von morgen

Der Übergang von Wegwerfbatterien zu selbsttragenden Energiesystemen stellt einen der bedeutendsten Wechsel im elektronischen Design dieses Jahrzehnts dar. Wie auf der CES 2025 gezeigt, liefern praktische Implementierungen jetzt ausreichend Energie für Anwendungen in der realen Welt. In den nächsten fünf Jahren werden kontinuierliche Fortschritte in KI, hybrider Energiegewinnung und Komponentendesign den Markt in Richtung vollständig autonome, umweltverantwortliche Systeme vorantreiben.

Elektronikingenieure sollten sich auf diese Zukunft vorbereiten, indem sie grundlegende Annahmen zur Energiearchitektur überdenken und Expertise in ultra-niedrigenergetischen Schaltkreisen, der Integration von Energiespeicherung und Multi-Quellen-Erntetechniken entwickeln. Ingenieure, die das Zusammenspiel zwischen verfügbarer Umgebungsenergie und dynamischen Energieanforderungen beherrschen, werden sehr gefragt sein, da Energieautonomie zu einer grundlegenden Erwartung und nicht mehr zu einem spezialisierten Merkmal in elektronischen Systemen wird.