Selbstversorgende Sensoren: Die Batterie-Hürde für ubiquitäres IoT überwinden

27. September 2021

Warum selbstversorgende Sensoren der Game-Changer sind

Objekte mit Rechengeräten auszustatten, die Daten über das Internet übertragen, versprach jahrelang, die Art zu revolutionieren, wie Unternehmen operieren und Menschen leben. Und obwohl das Internet of Things (IoT) unser Privatleben klar beeinflusst – via Smartphones, vernetzte Thermostate, Wearable-Fitness-Tracker, sogar Wasserflaschen, die Trinkgewohnheiten monitoren –, hat es langsamer Ubiquität erreicht als Experten vorhersagten, und weit langsamer als erwartet in der Industrie Fuß gefasst.

Das Billionen-Batterien-Problem

2012 sagte IBM 1 Billion vernetzte Geräte bis 2015 voraus. Die Welt kam nicht annähernd an diese Zahl heran. Eine Implikation von IBMs Billionen-Geräte-Prognose ist das Volumen – das sind eine Billion Batterien, um diese Billion IoT-Sensoren am Sammeln, Analysieren und Senden von Daten zu halten. Batterielebensdauer war der Fokus der meisten Innovationen bisher. Ein Paper auf dem Kyoto Symposium on VLSI Circuits 2017 beschrieb neue Methoden, an denen die Industrie arbeitet, um die Batterielebensdauer für IoT-Geräte zu verlängern.

Nehmen wir an, die Industrie erreicht ihr Ziel einer 10-Jahres-Lebensdauer für den durchschnittlichen IoT-Akku. Wie viele Batterien müssten täglich in einer Billionen-Geräte-Welt getauscht werden? Die Antwort: 273.972.603. Noch schlimmer: Wenn die Industrie das Ziel verfehlt und nur eine zweijährige Batterielebensdauer liefert, bedeutet das, dass jeder Mensch auf dem Planeten (alle 7,4 Milliarden) alle fünf Tage eine Batterie wechseln müsste.

Wir können nicht über 1 Milliarde Batterien jeden Tag tauschen. Selbst im Best-Case-Szenario würde das Betreiben von 1 Billion IoT-Geräten den täglichen Austausch von 274 Millionen Batterien erfordern – vorausgesetzt, alle erreichen ihre volle 10-Jahres-Lebenserwartung. Offensichtlich ist das kein tragfähiger Plan.

Können wir die ersten 137 Millionen Batterien vor dem Mittagessen tauschen?

Setzen wir das in reale Begriffe, die reflektieren, wie Sie IoT in Ihrem eigenen Business nutzen könnten.

Stellen Sie sich vor, Sie deployen 10.000 Industrial-IoT-Geräte in Ihren Anlagen – Sensoren, strategisch platziert, um Echtzeitdaten über Gesundheit und Performance Ihrer Maschinen und Anlagen zu übertragen, Temperatur und Luftqualität in verschiedenen Sektoren zu überwachen, auf ausgetretene Toxine zu prüfen, den Status Ihres Dampfsystems, HLK-Systeme und anderer kritischer Infrastruktur zu melden.

Bei optimistischer 5-Jahres-Durchschnittslebensdauer dieser 10.000 Batterien würde Ihr Team jährlich ca. 2.000 Batterien tauschen – etwa 5 pro Tag (denken Sie an das Haushalts-Rauchmelder-Problem, aber auf Steroiden). Je nach Gerätetyp könnten die Batterien selbst zwischen wenigen Dollar und mehreren hundert Dollar pro Austausch kosten. Noch besorgniserregender: Die Kosten, um an einen Remote-Sensor zu gelangen und die Batterie zu wechseln, sind oft weit höher als die Batterie selbst.

All das erklärt, warum laut einem 2017er-Report, zitiert von der Institution of Mechanical Engineers: „Batterien müssen eliminiert werden, damit das Internet of Things florieren kann.“ Das ist das grundlegendste Problem – die Industrie fokussiert auf Batterielebensdauer statt die Abhängigkeit von Batterien ganz zu eliminieren.

5 Gründe, warum Batterien kosteneffektive IIoT-Deployments einschränken

Batteriebetriebene Sensoren erfordern manuelle Wartung
Das offensichtlichste Problem: Alle Batterien müssen irgendwann getauscht werden. Wie gezeigt, sind die Kosten für Zugriff und Austausch leerer Batterien – da solche Prozesse manuell bleiben – oft weit höher in Ressourcen und Mannstunden als die Kosten der neuen Batterie selbst. Dieser Bedarf an häufigem manuellen Aufwand untergräbt sofort den Kernwert vernetzter Sensoren.

Endliche Lebensdauern können Lücken in missionskritischen Daten schaffen
Die Unausweichlichkeit einer leeren Batterie kann Folgen haben, die über den marginalen Arbeits- und Kapitalaufwand für Inspektion und Austausch hinausgehen. Entdeckt das Team, das die IoT-Sensoren einer Anlage überwacht, eine leere Batterie nicht sofort und kann nicht schnell zum Sensor gelangen und sie tauschen, verliert die Anlage dauerhaft die Daten, die der Sensor in der Zwischenzeit gesammelt und übertragen hätte. Schlimmer noch: Batterien in drahtlosen Sensornetzwerken nutzen sich schnell ab, selbst bei sorgfältigem Management.

Da einige Sensoren einer Industrieanlage Daten aufzeichnen und streamen, die für Sicherheit und Compliance missionskritisch sind, können sterbende Batterien signifikante Risiken für das Geschäft schaffen.

Um Batterieleben zu schonen, senden Sensoren oft seltener Daten
Idealiter sollte ein IoT-Gerät in einer Industrieanlage – sagen wir, ein Sensor nahe der chemischen Anlage, der die Atmosphäre kontinuierlich auf giftige Lecks überwacht – extrem häufig Daten übertragen. Updates mehrmals pro Minute sind ideal.

Doch jede Datenübertragung verbraucht Strom. Um die Batterielebensdauer zu verlängern, sind viele IoT-Sensoren so konfiguriert, dass sie Daten weit seltener senden als ideal – manchmal nur einmal alle 24 Stunden.

Das kann den Anlagenbetreibern ein ungenaues Bild der Daten vermitteln, die ein Sensor erfasst.

Physische Dimensionen können Sensorfunktionalität limitieren
Batterien sind oft der größte Teil eines IoT-Sensorsystems, was Ingenieuren begrenzte Wahl bei der Batterieauswahl lässt. Zudem begrenzen Größe, Gewicht und Abmessungen der Batterie oft die Nützlichkeit des Sensors. Denn physische Charakteristika der Batterie können sowohl die Anwendungsarten einschränken, die ein Sensor ausführen kann, als auch, welche anderen Komponenten auf dem Sensorboard koexistieren können, sowie wo er deployt werden kann (eingebettete Locations sind tabu wegen nötiger Batteriewechsel).

Mögliche Sicherheitsrisiken und Umweltschäden
US National Institutes of Health (NIH) berichten, dass Lithiumbatterien, die in IoT-Sensoren üblich sind, „substanziell zu Umweltverschmutzung und nachteiligen menschlichen Gesundheitsauswirkungen beitragen können, aufgrund potenziell toxischer Materialien.“

Die fortgesetzte Verbreitung batteriebetriebener IoT-Geräte weltweit – besonders wenn diese im Milliarden- oder Zehnmilliardenbereich deployed werden, wie prognostiziert – ist besonders besorgniserregend.

Die batterielose Lösung
Die Lösung für die Industrial-IoT-Revolution: Ein End-to-End-System, das alle notwendigen Komponenten für eine vollständig entwickelte, ubiquitäre Sensing-Lösung zusammenführt – gebaut um drahtlose IoT-Sensoren, die vollständig selbstversorgend sind.

Neue patentierte Kern-Halbleiter- und Wireless-Networking-Technologie ermöglicht Geräten den Betrieb mit niedrigen Leveln umgebungsgewonnener Energie, genug Power für ihren Ultra-Low-Power-Betrieb auf unbestimmte Zeit. Die Sensoren operieren kontinuierlich und werden nie eine Batterie benötigen.

Energie wird aus mehreren Quellen gewonnen – einschließlich niedrigem Indoor-Solar, Outdoor-Solar, thermoelektrischem Effekt (Einfang Umgebungsenergie aus Temperaturgradienten), Vibration piezoelektrischer Materialien (wie bestimmte Kristalle und Keramiken) und sogar aus Radiowellen in der Umgebung. Anders als andere „Low-Power“-Einzelkomponenten, die Energy Harvesting nutzen, können neue komplette Sensorggeräte nicht nur einen Array von Daten mit mehreren Sensoren sammeln, sondern diese auch verarbeiten, analysieren und drahtlos übertragen – alles im selben batterielosen Power-Budget.

Denken Sie an selbstversorgende Systeme als „Forever Sensors“, weil sie ohne Sorge vor physischer Inspektion für Wartung oder Batterie-Check deployed werden können.

Das Batterieproblem hat die Adoption des Industrial Internet of Things (IIoT) behindert und Industrieunternehmen signifikante Vorteile vorenthalten – wie pervasive Sensing-Fähigkeiten, die actionable Intelligence generieren, wie nie zuvor zugänglich. Die Lösung ist eine integrierte Full-Stack-Pervasive-Sensing-Plattform, wo die gesamte Umgebung – physischer Sensor, Datenerfassung und -verarbeitung, Wireless-Kommunikation, Analytics und Reporting Software-Plattform – als echtes Ökosystem designed ist. Diese Innovationen können Unternehmen endlich helfen, die Billionen Dollar Wert zu realisieren, die das IIoT verspricht.

Rafael Reyes ist aktuell Director of Product Marketing bei Everactive, einem Technologieunternehmen, das batterielose Wireless-Sensoren und Cloud-Analytics kombiniert, um End-to-End-Industrial-IoT-Lösungen zu liefern, wo er kundenfokussierte Go-to-Market-Strategien für neue Produkte und Promotionsstrategien für bestehende Produkte vorantreibt.
Rafael hat über 10 Jahre Erfahrung in Product Marketing und Product Development; kombiniert mit 5 Jahren Erfahrung in Strategic Planning und 5 Jahren in Business Unit Management, alles in B2C- und B2B-Unternehmen.