Onderhoudsvrije sensornetwerken komen eraan

We staan aan het begin van een revolutie in de duurzaamheid van onze sensor netwerken. Ze worden draadloos en batterij-loos en dus duurzaam en onderhoudsvrij.

Draadloos Internet-of-Things zonder onderhoud. Kan dat?

Naar een duurzaam Internet-of-Things (geen batterijen, chemisch afval of onderhoud meer)

We staan aan het begin van een revolutie in de duurzaamheid van onze sensor netwerken. Ze worden draadloos en batterij-loos en dus duurzaam en onderhoudsvrij. We maken steeds meer gebruik van Internet-of-Things (IoT) apparaten, bijvoorbeeld sensoren in gebouwnetwerken. Deze sensoren zijn meestal aangesloten op het lichtnet, maar ook vaak voorzien van batterijen als energievoorziening.

Probleem

De aard van de energievoorziening voor de meeste IoT apparaten van nu brengt een aantal nadelen met zich mee. Apparaten die op het lichtnet zijn aangesloten vereisen een stopcontact in de nabijheid en ook kabels. Die kabels zijn onhandig en lelijk als je een apparaat ergens op de muur of op een glazen wand wilt bevestigen en leveren bovendien hoge installatiekosten op. Apparaten die op batterijen werken kennen weer andere nadelen. Batterijen moeten periodiek worden vervangen of opgeladen, en zijn potentieel gevaarlijk chemisch afval. Dit laatste aspect heeft een enorme impact wereldwijd aangezien het om tientallen miljarden apparaten gaat, wat per jaar resulteert in tussen 1 en 4 miljardlege batterijen (15-10 miljard IoT apparaten, waarvan 25-40% op batterijen, met gemiddelde levensduur tussen 2 en 4 jaar). Theoretisch kunnen batterijen tot 99 % worden gerecycled, maar praktisch gebeurt dat tussen bijna niet (1-5 % in landen waar ze het slecht doen) tot goed (99% voor lood-zuur accu’s in het beste geval) (voor Nederland: Recyclepercentages: lood 78%, Nikkel-cadmium 75%, overig 81% bij inzamelpercentage van 46%[2]). Naast de kosten voor de batterijen zelf spelen ook de personeelskosten en logistieke kosten voor het vervangen of opladen een grote rol in het totale kostenplaatje (TCO, total cost of ownership) van onderhoud, zeker als het om honderden of duizenden apparaten gaat. Batterijen vervangen kan relatief snel, maar batterijen opladen is traag; dit kan uren duren. Nog een nadeel van batterijen is dat het niet goed te bepalen is wanneer een batterij vervangen of opgeladen moet worden is. Als de batterij te vroeg vervangen wordt verhoogt dat de kosten, en als hij te laat wordt vervangen of opgeladen valt het apparaat uit. Ook het op voorraad houden van batterijen is niet zo eenvoudig als je zou denken. Ze raken vanzelf leeg door zelfontlading als je ze te lang bewaart. Als je er te veel inkoopt om ze dan goedkoper in te kunnen kopen, kunnen ze al (bijna) leeg zijn tegen de tijd dat ze worden ingezet als vervanging. Ook kunnen er meerdere types batterij in gebruik zijn, waardoor er minder schaalvoordelen te bereiken zijn.

Oplossing

Nieuwe generaties IoT apparaten kunnen steeds vaker in hun eigen energie voorzien en zijn dan niet langer afhankelijk van batterijen en bijbehorend onderhoud en onzekerheid. Dit noemen we energie-autonomie. Deze autonomie is gerealiseerd langs een aantal assen:

1. Vooruitgang in chipfabricage- en ontwerptechnieken: Nieuwe chips hebben steeds minder energie nodig. Besturingssystemen en software architecturen spelen hier steeds meer op in.
2. Vooruitgang door nieuwe materialen: De omzetting van beschikbare energie in elektriciteit wordt steeds efficiënter en goedkoper door nieuwe materialen en fabricageprocessen
3. Energieopslag kan steeds efficiënter, dezelfde hoeveelheid in kleiner volume, minder zelfontlading. Het aantal oplaad/ontlaadcycli van oplaadbare batterijen is sterk vergroot door nieuwe materialen
4. Nieuwe draadloze communicatiestandaarden die meer energiebesparing mogelijk maken

We nemen deze aspecten één voor één onder de loep.

Nieuwe processorchips voor IoT worden steeds zuiniger

Vergeleken met microprocessoren van 10 jaar geleden is het energieverbruik flink gedaald, met een factor 4 of meer [1]. Voor een deel komt dit door het gebruik van kleinere chipgeometrieën en bijbehorende nieuwe ontwerpmethoden, voor een deel door nieuwe hardware architecturen.

Het oogsten van energie uit de omgeving

De techniek waarmee energie uit de omgeving kan worden geoogst heet Energy Harvesting, (EH). Energy Harvesting kan met verschillende technologieën, elk met hun specifieke voor- en nadelen en gerangschikt op volgorde van hoeveelheid te oogsten energie:

• Fotovoltaïsch (PV) met als uitvoering de zonnecel. Voor gebruik met sensoren is het belangrijk dat zelfs met een geringe hoeveelheid licht voldoende energie kan worden geoogst. De laatste jaren is op allerlei vlakken onderzoek gedaan en zijn de rendementen flink verbeterd, terwijl de nieuwe materialen en productiemethoden voor een lagere milieubelasting zorgen. Met name Organic PhotoVoltaic (OPV) maakt het mogelijk om het organische materiaal met inkjetprinters te printen op grote vellen met minimale dikte, hoge flexibiliteit en verbeterd rendement.
• Thermo-elektrisch: Deze technologie maakt gebruik van temperatuurverschillen om elektriciteit op te wekken via het Seebeck effect. Dit kan gebruikt worden in industriële omgevingen waar temperatuurverschillen aanwezig zijn, zoals verwarmingsinstallaties.
• Kinetische energie: Bewegingsenergie kan worden omgezet in elektriciteit door middel van piëzo-elektrische materialen of magneetjes die binnen een spoel bewegen. Deze aanpak is geschikt voor IoT-apparaten die in machines of voertuigen worden geplaatst. De Nederlandse startup MEMSYS heeft een aantal producten op deze basis in de pijplijn. Schakelaars op basis van dit idee zijn al jaren in gebruik (enOcean).
• Energie uit radiogolven (RF harvesting). Uit omgevings-radiosignalen, zoals die afkomstig zijn van Wi-Fi-routers of mobiele netwerken, kan energie worden geoogst. Ook kunnen IoT-apparaten met speciale zenders worden aangestraald om zo energie toegestuurd te krijgen.
• Energie uit plantenactiviteit (Plant-Microbial Harvesting). Het Nederlandse bedrijf plant-e uit Wageningen heeft een box waarmee de energie uit plantactiviteit kan worden geoogst, en een energie-autonome ‘SensorStick’ met sensoren die o.a. voor bodem en watermonitoring kan worden ingezet.

Energieopslag

Er zijn verschillende technologieën waarmee energie kan worden opgeslagen in een batterijloze sensor. Afhankelijk van hoelang de sensor zonder energietoevoer moet blijven werken is meer of minder capaciteit nodig. Energie kan worden opgeslagen in supercondensatoren of ultracondensatoren of een nieuwe categorie: Small Lithium Battery op basis van Lithium Titanaat Oxide (LTO). Deze laatste categorie heeft grote voordelen boven de gewone Lithium-ion of Lithium Polymeer accu: Geen gevaar voor explosie of zelfontbranding, 25000 op- en ontlaadcycli, veel sneller op te laden en te ontladen, veel kleiner en geschikt voor temperaturen tussen -30 °C en +60 °C.

Ad 4) Nieuwe IoT radio standaarden

Ook het energieverbruik van IoT radio’s is flink gedaald (ongeveer een factor 10 voor Bluetooth Low Energy radio’s), mede door nieuwe communicatiestandaarden. Een nieuwe Wi-Fi standaard (Wi-Fi HaLow, IEEE 802.11ah), die speciaal voor IoT is ontworpen, gaat de communicatie tussen IoT apparaten nog zuiniger maken. Omdat de gebruikte frequenties veel lager zijn dan die van standaard Wi-Fi kan met dezelfde energie het bereik veel groter zijn, en is er geen sprake van concurrentie op de frequentie van gewone Wi-Fi, Bluetooth, DECT-telefoons en magnetrons. Obstakels als muren en mensen hebben veel minder invloed op het bereik. Omdat het gebruikte protocol hetzelfde is als voor gewone Wi-Fi, is een koppeling met een standaard Wi-Fi netwerk zeer eenvoudig.

Combinatie van factoren

De combinatie van verbeteringen langs al deze assen maakt het ten eerste mogelijk om nieuwe IoT apparaten energie-autonoom te maken, ten tweede om dit ook duurzaam te doen en ten derde tegen significant lagere totale kosten, zeker als het om grotere IoT netwerken gaat.

Samenvatting

We zitten in een transformatie van bekabelde of batterij gevoede IoT apparaten naar energie-autonome IoT apparaten. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor het inzetten van IoT apparaten waar dit voorheen onpraktisch of onmogelijk was. Het betekent ook dat veel kosten voor onderhoud van dit soort systemen kunnen vervallen. De totale kosten van dit soort systemen over hun operationele leeftijd komen dan significant lager uit. Ook zien we dat de totale milieubelasting door deze systemen als ze worden afgedankt veel lager is omdat de nieuwe materialen veel minder belastend zijn. Bij vervanging van bekabelde systemen is er reductie van het energiegebruik, wat weer bijdraagt aan minder uitstoot door energiecentrales en daarmee aan een beter milieu. Integratie met AI en Machine Learning zal batterijloze IoT een steeds belangrijkere rol toebedelen.

Afsluiting

Herman Roebbers is als Advanced Expert werkzaam bij Capgemini Engineering. Herman is gespecialiseerd in ingebedde systemen en thought leader Ultra Low Power. Hij is consultant voor ingebedde systemen en werkte aan first-of-a-kind systemen en NWO-onderzoeksprojecten. Hij verzorgt al jaren gastcolleges bij hogescholen en universiteiten en geeft trainingen op dit gebied bij High Tech Institute en embedded world Conference. Voor meer informatie kunt u contact opnemen met de auteur via Herman.Roebbers@capgemini.com, @LinkedIn

Referenties:

[1] EEMBC: CPU Energy Benchmark – MCU Energy Benchmark – ULPMark® – EEMBC Embedded Microprocessor Benchmark Consortium

[2] Jaarverslag 2023 stichting OPEN: www.stichting-open.org/wp-content/uploads/2024/06/st-open_factsheet-resultaten-batterijen-2023_nl.pdf