Energieeffizenz

Wie IoT-Geräte unter Strom stehen

07.09.2020
Von 
Jon Gold ist Senior Writer bei der US-Schwesterpublikation Network World.
Die Stromversorgung kleiner IoT-Geräte, die über eine große Fläche verteilt sind, ist ein wichtiges Thema. Effizienz ist dabei das A und O.
In IoT-Szenarien wie dem Smart Farming spielt die Stromversorgung eine wichtige Rolle.
In IoT-Szenarien wie dem Smart Farming spielt die Stromversorgung eine wichtige Rolle.
Foto: igorstevanovic - shutterstock.com

Der Begriff "Internet der Dinge" (Internet of Things, IoT) kann für eine große Bandbreite unterschiedlicher Technologien verwendet werden: von Sensoren über Gateways bis hin zu Backend-Systemen, die Daten organisieren und Machine-to-Machine-Netzwerke (M2M) absichern. Dabei wird der Art und Weise, wie IoT-Systeme Daten sammeln und weiterleiten, zu Recht viel Aufmerksamkeit geschenkt.

In einigen IoT-Szenarien kann jedoch die Frage, wie die Sensoren mit Strom versorgt werden, ebenso wichtig sein. Insbesondere bei IoT-Systemen mit kleinen Sensoren und solchen, die weit voneinander oder vom Rest des Systems entfernt sind, ist der Energieverbrauch ein kritisches Thema. Hier kommt es häufig vor, dass die herkömmliche Stromversorgung über Kabel schlichtweg keine Option ist.

Wo IoT besonders effizient sein muss

Zu den Branchen, in denen ein weiträumiger Einsatz von IoT-Sensoren mit geringer Leistung wichtig ist, gehören etwa Versorgungsunternehmen, Transportwesen und Landwirtschaft. So ist etwa ein Landwirt in der Regel nicht in der Lage, bis zu den Feuchtigkeitssensoren für den Boden auf seinem Feld ein Stromkabel zu verlegen. Es gibt jedoch noch andere Optionen. Laut Gartner-Analyst Al Velosa kommt es bei der Wahl der besten Lösung darauf an, sich darüber klar zu werden, welches Ergebnis man sich wünscht und wie man es möglichst effizient erreichen kann. "Die grundlegende Frage ist, was es kostet, die Infrastruktur bereitzustellen", sagt er. "Wenn Sie Anlagen im Umkreis von mehreren tausend Meilen verwalten, ist alles günstiger als einen Lieferwagen dorthin zu schicken."

Diese Erkenntnis gilt insbesondere für Batteriezellen, die vermutlich am weitesten verbreitete Option, wenn es um die Stromversorgung kleiner, entfernter IoT-Anlagen geht. Keine Batterie hält ewig, weshalb sie irgendwann ausgetauscht werden müssen. Der derzeitige Stand der Technik konzentriert sich auf Silberoxid-Zellen, ähnlich wie sie in Uhren und Hörgeräten verwendet werden, erklärt Forrester-Vizepräsident und Chefanalytiker Frank Gillett. "Eines der Probleme, auf die Sie dabei stoßen, ist, dass die chemische Füllung mancher Batterien keine 10 Jahre durchhält", sagt er. Nichtsdestotrotz sind Silberoxid-Zellen nach wie vor beliebt, weil ihr Verhältnis von Ladung zu Gewicht vergleichsweise sehr hoch ist. Selbst eine kleine Batterie dieses Typs kann einen einfachen Sensor, der mit einem stromsparenden, selten benutzten Funksender ausgestattet ist, potenziell jahrelang mit Strom versorgen. Sie sind jedoch nicht so leistungsfähig, dass sie die Gerätehersteller von der Verantwortung befreien, ihre Sensoren möglichst energieeffizient zu konstruieren.

In seiner einfachsten Ausbaustufe muss ein IoT-Sensor in der Lage sein, Informationen zu sammeln, diese in einem digitalen Format auszugeben und weiterzuleiten, sei es an ein Gerät in der Nähe zur Sammlung und Verarbeitung oder direkt an das Backend. Jeder Teil dieses Prozesses kostet Energie, und obwohl mit moderner Technik die Energieeffizienz sowohl bei der Verarbeitung als auch bei der Übertragung drastisch gestiegen hat, ist Energie immer noch einer der wichtigsten limitierenden Faktoren beim Design von IoT-Geräten.

"Es geht darum, herauszufinden, wie man die Leistung eines Low-Power-Geräts maximieren kann", erklärt Gillett. "Ein Großteil davon geschieht dadurch, dass man die Sender effizienter macht", so der Chefanalytiker weiter, "und auf der anderen Seite können Sie dafür sorgen, dass der Rechner als Teil des IoT-Devices ebenfalls sehr energiesparend ist. Im Idealfall haben Sie dann beide Teile noch hoch integriert gebaut."

Energieoptionen im Internet of Things

Allerdings schreite die Entwicklung im Bereich Batterietechnologie im Vergleich zu Prozessoren, Chips und Sensoren vergleichsweise langsam voran, fügt der Forrester-Analyst hinzu. Dies sei einer der Gründe, warum einige Unternehmen ihre IoT-Geräte anderweitig mit Strom versorgen wollen.

Eine Möglichkeit ist Solarenergie: Zunehmend effizientere Solarzellen erlauben es, kleine Geräte mit entsprechend großen Modulen auszustatten, wobei die Kosten für diese Module in letzter Zeit ebenfalls gesunken sind. In der Theorie klinge dies großartig, so Gartner-Analyst Velosa, tatsächlich aber seien viele IoT-Deployments, in denen Solarenergie zum Einsatz kommt, nicht viel effizienter als solche, die ihren Strom von Batterien beziehen. Die Solarenergie ist nach wie vor davon abhängig, dass die Module ausreichend Sonneneinstrahlung erhalten. Hinzukomme, dass diese bei weitem nicht wartungsfrei seien. Staub und Schmutz können ihre Fähigkeit zur Stromerzeugung beeinträchtigen. "Wir gehen bei einer solchen Anlage immer noch von einer Einsatzdauer von ein bis fünf Jahren aus, mit einem gewissen Wartungsbedarf nach der Hälfte der Zeit", sagt er.

Eine andere Idee ist die vollständig drahtlose Energieübertragung - stellen Sie sich ein Qi-Ladegerät vor, aber mit viel größerer Reichweite - wenngleich eine Nutzung dieser Technik in der Breite noch Zukunftsmusik ist. Zwar haben Startups wie GuRu oder Wi-Charge bemerkenswerte Fortschritte bei der drahtlosen Energieübertragung gemacht, Analysten sind jedoch der Meinung, dass sie sich nicht besonders gut für weit verstreute IoT-Deployments eignet. Die meisten aktuell bereits erhältlichen Lösungen sind entweder zu experimentell, zu teuer oder zu kurzlebig, um eine echte Alternative zu Solarzellen, Batterien oder Kabeln zu bieten.

"Es ist ein Grenzfall", erklärt Forrester-Mann Gillett. "Es muss sich um ein Szenario handeln, bei dem man kein Kabel verwenden kann, aber trotzdem über eine kurze Distanz Strom bereitstellen muss. Und es muss eine Menge Geld kosten dürfen."

Grundsätzlich sind Unternehmen, die IoT einsetzen wollen, am besten damit bedient, wenn sie die Kosten verstehen, die mit jeder Energieoption verbunden sind, und schauen, wie sie am effizientesten wirtschaften können. Wartungskosten werden in jedem Fall anfallen, aber die Höhe der Kosten kann je nach verwendeter Technik sehr unterschiedlich sein. "Letztendlich braucht man eine vollständige Analyse", rät Gartner-Analyst Velosa: "Was ermöglicht es mir, in meinem Szenario weiterhin ein positives Ergebnis zu erzielen?"

Dieser Artikel basiert auf einem Beitrag der US-Schwester-Publikation Network World.