En nyckelkomponent för grön omställning

På forskningsinstitutet RISE pågår långt framskriden forskning om hållbara självförsörjande energiautonoma sensorsystem. Med hjälp av olika energiskördningsprocesser kan miniatyriserade sensorsystem drivas och byggas in i material eller sättas på otillgängliga platser där batterier eller kablar inte fungerar.

En energiskördare använder energi från omgivningen som annars är bortkastad, det kan vara från motorers eller pumpars vibrationer genom att utnyttja piezoelektriska eller triboelektriska processer, eller från termiska gradienter i förbränningsmotorer.
– Det handlar om att utnyttja olika processer där mekanisk energi omvandlas till elektricitet.
För energiskördare är det väldigt små mängder energi som kan samlas in, men små sensorer behöver inte mycket energi för att skicka iväg data till molnet. För den snabba utvecklingen av IoT kan energiskördare vara avgörande, förklarar Henrik Staaf.

Olika typer av energiskördare
Han forskar på energiskördare som använder piezoelektriska krafter, och har i ett EU-projekt tagit fram energiskördare för bildäck, till exempel ”Energy ECS”, energyecs.eu. När piezoelektrisk materialet böjs eller sträcks sätts de piezoelektriska kristallerna i rörelse och energi skapas.
– Vi är i slutfasen av projektet med bildäck och energiskördaren har verifierats i tester. Den kommer att användas för smarta däck där information hämtas in från sensorer placerade i olika delar av däcket.
Sobhan Sepehri forskar på en annan typ av energiskördare som bygger på triboelektricitet.
– Triboelektriska effekter uppstår då två material med olika laddning på ytan möts. Ett exempel som många känner till är då man gnider en uppblåst ballong mot sitt hår och kan få den att sitta kvar på en vägg, det handlar om statisk elektricitet.
I triboelektriska skördare används samma teknik: man sätter ytor med olika laddningar i kontakt och sedan flyttar man dem i förhållande till varandra. Rörelsen ger då en mekanisk energi som kan omvandlas till elektricitet.
– I mitt forskningsprojekt är vi fortfarande i demo-stadiet, där vi har visat att skördaren fungerar och kan ge energi till sensorer för att skicka iväg data.

Välkänd teknik
Man kan även använda energiskördare som baseras på termoelektricitet.
– Sådana skördare har funnits sedan 1800-talet. De utnyttjar temperaturgradienten i ett material vilket ger en spänning, Seebeckeffekten. Termogradienter kan skapas i alla material, frågan är bara hur mycket spänning man kan få av olika temperaturgradienter, förklarar forskaren Elof Köhler.
Det gäller därför att välja rätt material, och då man inte vill att temperaturgradienten ska jämnas ut snabbt så väljer man ofta keramiska material som inte har så bra ledningsförmåga.
– Den typen av material finns exempelvis i peltierelement som används i kylskåp. Problemet med att använda termoelektriska processer för energiskördare är att det krävs höga temperaturgradienter för att få ut 1 Volt ur processen. Det gäller därför att de elektriska kretsarna som används har minimala energibehov.

Mycket energisnåla kretsar krävs
För att man ska kunna utnyttja energiskördares fulla potential behöver man forska mer på systemet som sensorerna är en del av, vilket Edoardo Trabaldo gör.
– En utmaning är att skördarna inte producerar så mycket energi och att effektiviteten är relativt låg. Men skördarna ger tillräckligt med energi för att kunna lagras i en kondensator eller ett batteri tills det finns tillräckligt så att sensorn kan skicka iväg sina data.
I systemet kring sensorerna behövs även olika kontrollfunktioner som styr energiflödena.
– För att hela mikrosensorsystemet som drivs av energiskördare ska fungera måste vi ha extremt energisnåla enheter i systemet. Det behövs elektriska kretsar som kan hantera höga spänningar och låga strömmar, men idag finns inte så många kretsar som är byggda för att skörda energi.

Förutsättning för grön omställning
Samtidigt går forskningen snabbt framåt. Elektriska kretsar blir mer och mer energisnåla vilket skapar förutsättningar för att energiskördare ska kunna nyttjas till sin fulla potential i den gröna omställningen.
– Med energiskördare på en jordbruksmaskin som ska elektrifieras kan man minska energiförbrukningen för maskinen med en procent, vilket betyder mycket. Autonoma sensorsystem kan även sättas i tillståndsövervakningssystem på ställen där de inte kan användas idag och därmed bidra till hållbarare system, avslutar Henrik Staaf.