Im Zuge der Energiewende sollen die konventionellen bzw. fossilen und damit knappen Brennstoffe sukzessive durch erneuerbare Rohstoffe und Energieträger ersetzt werden. Da jedoch auch den Erzeugungsmöglichkeiten aus regenerativen Energiequellen zum Beispiel in technischer oder wirtschaftlicher Hinsicht gewisse Grenzen gesetzt sind, bedarf es weiterer alternativen Energien und deren Nutzungsoptionen. In diesem Artikel soll vorgestellt werden, wie mit Hilfe des sogenannten Energy Harvesting über Mikro- oder Nanokraftwerke Strom erzeugt werden kann.
Dabei wird überwiegend mechanische oder thermische Energie aus der direkten Umgebung genutzt, was beispielsweise Vibrationen, Reibung, die Umgebungstemperatur, Abwärme bzw. Temperaturunterschiede, Luftströmungen oder Schallwellen sein können, um den Strombedarf kleinerer mobiler digitaler Endgeräte mit vergleichsweise geringer Leistungsaufnahme wie zum Beispiel Armbanduhren, Smartphones, Sensoren, Leuchtdioden oder Funkmodule zu decken. Die Energieumwandlung erfolgt dabei durch piezoelektrische, thermoelektrische (vgl. hierzu Artikel „Thermoelemente in der Kraftwerkstechnik“), pyroelektrische, elektromagnetische und / oder photoelektrische Effekte.
Das Potenzial des Energy Harvesting, wörtlich übersetzt „Energie ernten“, als Drahtlostechnologie ist groß, und erste Forschungsergebnisse auf diesem Gebiet versprechen neue, wirtschaftlich und technisch machbare alternative Energiequellen. So existieren Prototypen von Mikro- und Nanogeneratoren, deren installierte elektrische Leistung Stand heute zwar nur einige Milliwatt beträgt, die jedoch ausreichen kann, um die vorgenannten Aggregate, die heutzutage gleichzeitig mit immer weniger Strombedarf hergestellt werden, mit ausreichend Elektrizität für einen autarken Betrieb kabellos zu versorgen.
Somit wäre nicht nur die bisherige externe Stromversorgung hinfällig, sondern auch ein Großteil der einschränkenden, kostenverursachenden Peripherie wie Kabelverbindungen und Batterien würde überflüssig werden. Weiterhin sind die spezifischen Herstellkosten für diese Kleinstkraftwerke vergleichsweise günstig, während ihre Effizienz in Form des Wirkungsgrades sowie ihre Haltbarkeit ständig steigen. Die mobilen Module sind größtenteils wartungsfrei und können in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen im sogenannten Internet der Dinge (engl.: Internet of Things, IoT), das heißt über IuK-Techniken kommunizierende, technologisch miteinander vernetzte physische und virtuelle Gegenstände, eingesetzt werden.
Ein F&E-Sektor für die „Energieernte“ aus alternativen Quellen befasst sich beispielsweise mit der Erzeugung elektrischer Energie aus menschlichen Bewegungen, wodurch wie oben bereits erwähnt Batterien in elektronischer Kleidung, sogenannten smarten Textilien, eingespart werden könnten. Hierzu wurden tragbare dehnbare Stromfasern aus Kohlenstoff entwickelt, die unter mechanischer Belastung in Form der Bewegungen des Körpers eine elektrische Leistung von bis zu 250 Watt pro Kilogramm erreichen. Die Stromerzeugung erfolgt dabei über einen leitfähigen Elektrolyten, zum Beispiel eine Kochsalzlösung, der über das elektrische Ladungsgefälle infolge der einwirkenden mechanischen Energie als Generator fungiert. Ein nächster Schritt sieht hier die Kombination mit stromspeichernden flexiblen Fasermaterialien auf der Grundlage von Kondensator und Aktivkohle vor, so dass sowohl Kraftwerk als auch Speicher mobil in stromerzeugende und -speichernde Kleidung integriert werden könnten.