Mehr Power durch Energy Harvesting

Zu Industrie 4.0 gehört auch die intelligente Vernetzung von Heizkörperventilen. Die Temperatur lässt sich übers Smartphone oder Tablet regeln. Dabei funktioniert das elektronische Heizungsventil dank des thermoelektrischen Generators ohne Batterien oder Stromanbindung. Das System wurde mit dem Energy Harvester Award ausgezeichnet. 

ROMAN KLEIN 

 

Bis dato ist das alte herkömmliche Thermostatventil (Handventil) mit einem Dehnstoffelement noch sehr weit verbreitet. Die meiste Heizenergie spart man jedoch durch programmierbare elektronische Heizkörperventile. Die Hersteller sprechen von bis zu 30 % Heizkosteneinsparung, die aber nur durch ein gezieltes Heizen erreichbar sind.

 

Strom durch thermoelektrischen Generator


Größter Schwachpunkt heutiger elektronischer Heizungsventile ist die Batterie. Je nach Regelungsbeanspruchung müssen diese einmal jährlich gewechselt werden, um eine optimale Stromversorgung zu garantieren. In Privatwohnungen ist der Wechsel noch halbwegs überschaubar aber in Wirtschafts- und Industriegebäuden mit hunderten von Heizkörpern sind der Aufwand und die Kosten immens. Servicekräfte müssten stets dafür sorgen, dass in allen Systemen volle Batterien sind. Batterien werden zyklisch gewechselt, egal wie viel Energie noch in ihnen steckt. Die PM DM GmbH hat nun ein Heizkörperventil entwickelt, das ohne Batterien auskommt und den benötigten Strom mittels eines thermoelektrischen Generators (TEG) selbst produziert. Das Ventil wandelt die Wärmedifferenz zwischen Heizkörper und Raum in elektrische Energie um. Aus Wärme wird Strom!

 

Bei Vorlauftemperaturen über 40 °C und Raumtemperaturen um die 20 °C, beträgt der Temperaturunterschied mindestens 15 °C. Der chipartige TEG baut mit der Temperaturdifferenz eine Spannung von mindestens 1 V auf. Klingt wenig, reicht aber aus, um das Ventil elektrisch zu versorgen. Den Ingenieuren von PM DM war klar, dass man die bestehenden batterie- oder kabelbetriebenen Systeme nicht einfach mit einem thermoelektrischen Generator umrüsten kann. Der Kühlkörper hat den größten Einfluss auf die generierte TEG-Spannung, darum wurde mit hohem Simulationsaufwand ein ausgeklügeltes thermisches Design entworfen. Normalerweise redet man bei „Energy Harvesting“ von Mikro-/Milliwatt (mW).

An einem normalen Wintertag liefert das TEG geringe Milliwatt. Diese müssen bei optimaler Funktion möglichst verlustarm gespeichert werden. Damit die gespeicherte und ständig gewandelte elektrische Energie für einen reibungslosen Betrieb ausreicht, wurde das komplette System neu überdacht. Das Powermanagement, der Speicher, der Mikrocontroller sowie die Sensorik wurden komplett neu entwickelt. Ein neuartiges Getriebe entstand, das zehnmal weniger Energie verbraucht, um eine Ventilverstellung zu fahren. Natürlich spielten die Erfahrung aus der Motoren- und Gleitlagerentwicklung, Kerngeschäft der PM DM GmbH, eine große Rolle. Sämtliche Komponenten, die Reibung verursachen, wurden unter die Lupe genommen und modifiziert. Dazu kommt das findige Umsetzen der Drehbewegung in die Linearbewegung, um den Ventilstößel zu stellen. Der Stößel im Heizkörper ist federnd gelagert und bringt eine Gegenkraft bis zu 40 N. Um das benötigte Drehmoment am Motor zu reduzieren, wurde eine intelligente Mechanik für einen Kräfteausgleich im Getriebe integriert. Des Weiteren analysierte man jede Komponente der Elektronik auf Leckströme und niedrigen Energieverbrauch und optimierte sie. Angefangen bei der Eingangswandlerschaltung, welche die generierte Energie des TEG in eine nutzbare Spannung umwandelt und sich dabei adaptiv auf die Quelle einstellt. Der erreichte Energienutzungsgrad liegt heute weit über 80 %.

Weiter geht es mit einem Doppelschichtkondensator als Energiespeicher, der kaum noch Verluste durch Eigenleckage hat und mit den kleinen Ladeströmen sehr gut zurechtkommt. Für den Motortreiber kamen integrierte Endstufen zum Einsatz, da sie Leckströme von unter 100 nA besitzen. Ein Ultra-Low-Power Mikrocontroller ist die Intelligenz des Systems und kontrolliert Antrieb, Positionierung, Kommunikation und Powermanagement. Spezielle Mikrocontroller verbrauchen heute im Schlafmodus weniger als 3 μW und können über eine Real-Time Clock zyklisch aufwachen und alle nötigen Betriebsparameter messen. Durch moderne Controllerkerne und intelligente Peripheriemodule ist dabei die Verarbeitungszeit, d. h. die Zeit, in der das System mehr Energie verbraucht, minimiert worden. Eine intelligente Softwarearchitektur sorgt zusätzlich für eine bestmögliche Ausnutzung der Hardware und reduziert die Wachzeit des Systems. Auch bei der Sensorik und der Kommunikation wurden Detailverbesserungen vorgenommen. Vor allem der Positionssensor benötigt nur noch ein Bruchteil der Energie früherer Systeme und ist dabei gleichzeitig günstig und zuverlässig. Er arbeitet heute kapazitiv, nicht mehr optisch. Alle nicht benötigten Komponenten werden konsequent von der Energieversorgung getrennt. So soll beispielsweise die Sommerzeit, in der der TEG keine Energie liefert, überbrückt werden. Mittlerweile gibt es für einen ganzjährigen Dauereinsatz standardisierte RF-Protokolle. Jeder Raum kann mittels eines zentralen Kontrollers auf die gewünschte Temperatur eingestellt werden. Optional sind auch Ansteuerungen über Smartphones oder Tablets möglich.

Des Weiteren programmiert der Nutzer sein individuelles Wochenprogramm, sozusagen die Zeiten, in denen die Wohnung verlassen ist und wann die Nachtabsenkung beginnt und endet. Während der Nichtanwesenheit können die Räume auf 16 °C abkühlen und pünktlich zum Feierabend wird es wieder warm. Wer die Temperatur permanent um ein Grad senkt, spart allein mit herkömmlichen Ventilen sechs bis acht Prozent der Heizkosten.


Bisher werden Heizkörperstellantriebe durch Kabelverbindungen oder wie anfangs beschrieben durch Batterien mit Strom versorgt. Leider ist die Installation der Kabel mit Aufwand verbunden. Kabelkanäle müssen vorbereitet und später wieder verputzt werden. Bei einem Neubau mag dies noch eine Akzeptanz finden, aber als Nachrüstsatz ist dies mehr als unklug. Ist das iTRV einmal installiert, kommt der Vorteil der Wartungsfreiheit zur Geltung. Für manch einen Konsumenten mag das Einsparen natürlicher Ressourcen ein Kaufgrund sein, doch für die meisten ist das Sparen von Heizkosten Hauptargument der Umrüstung. Discounter bieten „Stand-Alone-Geräte“ zu Schnäppchenpreisen an. Damit sind Heizkörperstellglieder ohne Verbindung zu einer Zentrale gemeint. Diese Einzelsysteme müssen für jeden Heizkörper separat programmiert werden. In Räumen mit mehreren Heizkörpern können sie sich untereinander bei der Raumtemperaturregelung stören. Im schlimmsten Fall korrigieren sich die Stellglieder ständig, woraufhin die Batterielebensdauer auf wenige Monate reduziert wird. Düstere Aussichten, wenn man sich die Batterieberge vorstellt. Die Serienproduktion des iTRV ist angelaufen und die Nachfrage nach batterielosen Ventilen erstaunlich hoch. 

www.pmdm.de

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Beitrag aus [me] 3/2015

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