atp edition Gamification in Kollaborationsnetzwerken (Vorschau)

PRAXIS
Britischer Chemiehersteller „erntet“ Energie für
dezentrale Sensoren aus Wärmeunterschieden
Praxiserfahrungen mit Temperatur-Messung ohne externe Stromversorgung
eim britischen Chemiehersteller Robinson Brothers
B wurde ein drahtloser Temperaturmesser eingesetzt,
der sich über „Energy Harvesting“ selbstständig mit
Strom versorgt. Seit 2011 arbeitet der Hersteller ABB mit
seinen Kunden an der Lösung, die industrielle Energieversorgung
und Wireless verbindet und dabei Netzwerkzuverlässigkeit
bietet.
VERMASCHTE NETZWERKE SIND ENERGIEINTENSIVER
Drahtlose Lösungen sind keine Neuigkeit in der Prozessindustrie.
Tatsächlich wurden die ersten Systeme bereits
in den 1960er Jahren eingesetzt. Wie bei der Feldbustechnologie
benötigt auch die Wireless-Technologie globale
Standards, die von möglichst vielen Geräteherstellern
unterstützt werden, um sich zu etablieren.
Ein solcher (Kommunikations-)Standard ist Wireless
Hart. Die Netzwerkzuverlässigkeit ist ein Hauptschwerpunkt
der Prozessautomatisierung. Vermaschte Netzwerke
innerhalb drahtloser Kommunikation sorgen für die
Zuverlässigkeit. Sie bieten räumlich redundante Kanäle
zwischen zwei Knoten innerhalb des Netzes durch Weiterleitung
von Nachrichten über verschiedene Wege. Dies
erhöht die Fehlertoleranz der Kommunikation und ermöglicht
die Realisierung von Netzwerken, die gegen
den Ausfall von Kommunikationsverbindungen und
Routergeräten tolerant sind. Die räumliche Redundanz
von vermaschten Netzwerken sichert auch in ISM-Bändern
(Industrial, Scientific, Medical) die zuverlässige
Kommunikation. Jedoch sind die Weiterleitung von
Nachrichten (infolge der vermaschten Netzstruktur) und
die erhöhten Anforderungen an die Datensicherheit mit
zusätzlichem Energiebedarf verbunden, der durch Energieoptimierung
ausgeglichen werden muss.
ENERGY HARVESTING STATT BATTERIEAUSTAUSCH
Der regelmäßige Austausch von Batterien ist keine Lösung,
da, je nach Konfiguration der Anlage, die durch
den Einsatz drahtloser Geräte erzielten Einsparungen
schnell relativiert werden. Stattdessen gilt Energy Harvesting
als mögliche Antwort bei der Realisierung (energie-)autarker
Geräte. Beim Energy Harvesting (wörtlich:
„Energie-Ernten“) wird Energie aus der Prozessumgebung
in nutzbare elektrische Energie umgewandelt. Diese
Energie wird dann zur Versorgung drahtloser Geräte
genutzt wird. Die am häufigsten eingesetzten Mechanismen
sind photovoltaische, thermoelektrische und kinetische
Wandler.
Thermoelektrische Generatoren (TEG) nutzen den
Temperaturunterschied zwischen heißen oder kalten
Prozessen und der Umgebung, um Wärmeenergie mithilfe
des Seebeck-Effekts in elektrische Energie umzuwandeln.
Der Wirkungsgrad von TEGs ist zwar recht
niedrig, die Technologie jedoch robust. Besonders in der
Prozessindustrie stehen häufig große Temperaturreservoire
und damit große Wärmemengen zur Verfügung.
Die von handelsüblichen TEGs bereitgestellte Leistung
reicht aus, um viele drahtlosen Sensorknoten in unterschiedlichen
Szenarios zu versorgen.
DRAHTLOSES THERMOMETER MIT
ENERGIEAUTARKER VERSORGUNG
Dem internationalen Team von Entwicklern und Wissenschaftlern
bei ABB ist es gelungen, einen autarken Temperatur-Messumformer
mit einem vollständig integrierten
Energy-Harvesting-System auf Basis thermoelektrischer
Generatoren zu realisieren. Die TEGs wurden so in
das Gerät integriert, dass die Handhabung, Stabilität und
der Formfaktor des Thermometers unverändert bleiben.
Die Lebensdauer und die Messwertaktualisierungsrate
werden gegenüber batteriegespeisten Geräten verbessert.
Der Energy Harvester verfügt über eine intelligente Pufferlösung,
die eine Versorgung sicherstellt, wenn die
Temperaturdifferenz einmal nicht ausreicht, um daraus
genügend Energie „abzuzweigen“. Aufgrund der vorgegebenen
Größe des gewählten Thermometers war eine Integration
herkömmlicher TEGs, die normalerweise eine
Größe von 10 cm² bis 20 cm² haben, nicht möglich.
Stattdessen wurden mikrothermoelektrische Generatoren
(Mikro-TEGs) eingesetzt, die in einem waferbasierten
Fertigungsverfahren hergestellt werden. 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. 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.
IN DER PRAXIS GEPRÜFT
Seit 2011 arbeitet ABB mit Kunden zusammen, um zu
einem möglichst früh Praxiserfahrungen zu sammeln
und Anwenderwünsche bei weiteren Produktentwicklungen
zu berücksichtigen. Als einer der ersten setzte
der britische Hersteller von Spezialchemikalien Robinson
Brothers auf Wireless-Technologie kombiniert mit
autarker Energieversorgung von ABB. Eingesetzt werden
die Thermometer zur Temperaturmessung im Pipelinenetz
der zentralen Dampfversorgung. Das Powermanagement
der Geräte erlaubt die pausenlose Auswertung
der momentan aktiven Energiequelle (Pufferbatterie oder
TEG). Zusammen mit der primären Messgröße Mediumstemperatur
und der sekundären Messgröße Elektroniktemperatur
sind Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit
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atp edition
3 / 2013