Photovoltaik und KI: Revolutionäres Potenzial für IoT

Photovoltaikzellen, die mithilfe des Umgebungslichts Geräte des Internets der Dinge (IoT) mit Strom versorgen: Das ist die Innovation von Forschern der Universität Newcastle im Vereinigten Königreich. Wesentlich bei der neuen Technik ist ein Wirkungsgrad von 38 % bei der Energieumwandlung sowie eine Leerlaufspannung von 1,0 V bei 1.000 Lux, was einer Leuchtstofflampe entspricht. Die schadstofffreien Photovoltaikzellen sind farbstoffsensibilisiert und verwenden Kupferelektrolyten.

Ein Artikel in der Zeitschrift Chemical Science befasste sich mit dem Thema: Laut des Beitrags hat die technische Innovation das Potenzial, die Art und Weise der Stromversorgung von IoT-Geräten zu revolutionieren. Gleichzeitig könnte sie die Tools nachhaltiger machen sowie neue Möglichkeiten in Bereichen wie Gesundheitswesen, Fertigung und intelligente Städte zu eröffnen. „Durch die Kombination innovativer Photovoltaikzellen mit intelligenten Energiemanagementtechniken ebnen wir den Weg für eine Vielzahl neuer Geräteimplementierungen, “, erklärt Marina Freitag, leitende Forscherin an der School of Natural and Environmental Sciences der Universität Newcastle.

Die von den Wissenschaftlern entwickelte Energiemanagementtechnik nutzt künstliche neuronale Netze mit Langzeitgedächtnis. Auf diese Weise lassen sich Veränderungen in der Umgebung vorhersagen und die Rechenlast der IoT-Sensoren entsprechend anpassen. Dieses dynamische System ermöglicht es dem Schaltkreis, mit optimaler Effizienz zu arbeiten. Der Effekt: Leistungsverluste oder Ausfälle minimieren sich, der Stromverbrauch sinkt. Es ist eine Demonstration der Synergie zwischen künstlicher Intelligenz und Umgebungslicht als Energiequelle, die zu einer neuen Generation von IoT-Geräten führt.

Die Innovation ermöglicht es IoT-Geräten, sich von umwelt- und nachhaltigkeitsschädlichen Batterien zu lösen – schließlich müssen diese häufig ausgetauscht werden. Stattdessen lässt sich das Umgebungslicht als Energiequelle nutzen. „Dies stellt einen Paradigmenwechsel für IoT-Projekte dar“, heißt es in dem Artikel. Weitere Vorteile sind ein autonomer Betrieb und der Verzicht auf eine aufwendige Wartung. Dazu wäre es möglich, diese neue IoT-Generation an Orten und in Mengen einzusetzen, die bisher nicht realisierbar waren. Die drei wichtigsten Einsatzszenarien für diese neue Art von IoT-Geräten sind Fabriken, Büro- oder Einzelhandelsflächen sowie Wohnungen.

Den Forschern zufolge haben sich in letzter Zeit mehrere Photovoltaik-Technologien als vielversprechend für Innenraumanwendungen erwiesen. Alle erreichen dabei einen photovoltaischen Wirkungsgrad von etwa 30 %.

Energieerfassung im Jahr 2023: Eine Branche auf dem Vormarsch

Laut einer Studie von ABI Research verspricht 2023 ein erfolgreiches Jahr für Start-ups zu sein, die sich mit Energieerfassung auseinandersetzen – einer Technologie, die zunehmend die Aufmerksamkeit derjenigen gewinnt, die mit IoT-Projekten arbeiten. Der Grund dafür sind die kostengünstigen Geräte mit größerer Energieautonomie. Diese Eigenschaften stehen für eine bessere Kapitalrendite, weniger Wartungsprobleme und mehr Kapazität, um Nachhaltigkeitsanforderungen zu erfüllen.

Der Umfrage zufolge gab es in den vergangenen drei Jahren immer mehr Start-ups für IoT-Lösungen zur Energieerfassung. Davon erreichen nun viele das Stadium der Kommerzialisierung von Produkten in großem Maßstab. Allein im Jahr 2022 wurden rund 110 Millionen US-Dollar in Start-ups in diesem Bereich investiert. Den Erwartungen nach soll diese Zahl bis 2023 durch weitere Finanzierungsrunden ansteigen und dazu beitragen, diese Technologie und damit auch die Konzepte des Massen-IoT sowie des Ambient IoT zu verbreiten.

IoT Ambient ist ein vom 3GPP geprägter Begriff: Er bezeichnet IoT-Netze mit viel kleineren und billigeren Geräten, die ihre Energie aus der Umgebung beziehen. Die Spezifikationen des IoT-Typs sind inzwischen Teil des Release 19 von 5G Advanced und dem zukünftigem 6G. Laut den 3GPP-Mitgliedern wird es den Mobilfunkbetreibern und anderen Unternehmen die Möglichkeit geben, interoperable Dienste für Milliarden von IoT-Geräten und -Lösungen anzubieten.

Neben Start-ups stellen auch etablierte Unternehmen bereits Produkte vor, die auf Ambient IoT in der Praxis ausgerichtet sind. So zeigte Wiliot auf dem letzten MWC Barcelona 2023, wie seine Wiliot IoT Platform Technologien kombiniert, um Ambient IoT in die Praxis umzusetzen. So lässt sich außerdem Transparenz in Lieferketten sowie im Vertrieb und Einzelhandel schaffen. Gemeinsam mit ABI Research und Deloitte hielt Wiliot außerdem eine Präsentation mit dem Titel „6G IoT Environment: Gegenmittel für Krisen in Lieferketten und Klima“.

Ein von Wiliot vorgestellter Anwendungsfall zeigt die Möglichkeiten von IoT Ambient: Mit dem Netz wird es einfacher, eine verlässliche Lieferkette für frische Lebensmittel aufzubauen. Zudem können Händler und Einzelhändler briefmarkengroße, batterielose IoT-Pixel für IoT-Ambiente-Tags von Wiliot nutzen, die an wiederverwendbaren Transportgegenständen angebracht sind. Damit lassen sich Lebensmittel entlang der gesamten Lieferkette verfolgen – und Temperatur, Feuchtigkeit und andere Zustandsinformationen abfragen. Das verspricht eine enorme Qualitätssteigerung sowie ein Verringern der Lebensmittelverschwendung.

Auch die akademische Welt investiert weiterhin in die Forschung zur Entwicklung von Materialien, die Abfallenergie effektiver in saubere Energie umwandeln können: Eine Gruppe von mehr als 100 Wissenschaftlern an der Simon Fraser University in Kanada hat verschiedene Arten von Energieerfassungstechniken, wie sie im Ambient IoT verwendet werden, analysiert. Das Ziel war, die beste Strategie auf diesem Gebiet zu empfehlen.

„Materialien, die zur Energiegewinnung eingesetzt werden, eröffnen vielversprechende Möglichkeiten. Dazu gehören das Erzeugen von sauberem Strom und die Verbesserung der Energieeffizienz unseres täglichen Lebens. Außerdem findet sich darin eine Unterstützung in den Bemühungen, den Klimawandel zu bekämpfen. Die Materialien können Umgebungsenergie aus verschiedenen Quellen umwandeln – darunter Licht, Wärme, Hochfrequenzwellen (wie die von Wi-Fi und Mobilfunksignalen) sowie mechanische Vibrationen“, erklärt Vincenzo Pecunia, Professor und Leiter des Projekts, in einem Bericht auf der IET-Website.

Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein Dokument, das künftige Forschungsrichtungen skizziert und darauf abzielt, disziplinübergreifende Bemühungen zu fördern. Den Wissenschaftlern zufolge ist dies das erste Mal, dass ein großes und vielfältiges internationales Netzwerk Experten zusammengebracht hat, um einen Kurs für die Weiterentwicklung dieser Technologien festzulegen. Die Roadmap wurde in der Zeitschrift Journal of Physics: Materials veröffentlicht.