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Low-Power-Wide-Area-Netzwerke (LPWAN) bieten als drahtlose Kommunikationslösung über große Entfernungen mit einer niedrigen Bit-Rate viele Vorteile. So kombinieren diese Technologien eine große Reichweite mit einem niedrigen Stromverbrauch und einer sicheren Datenübertragung. Entsprechend vielfältig sind die Anwendungsund Einsatzmöglichkeiten. Sie reichen in der Industrie vom Flotten-Management über Warenverfolgung, Stromnetz- Management und der Gebäudeautomatisierung bis hin zur Klima- und Prozessüberwachung sowie -steuerung.
In den letzten Jahren wurden bei den energieverbrauchsarmen drahtlosen Übertragungstechnologien deutliche Verbesserungen im Hinblick auf Übertragungsqualität, Kosten sowie Netzkapazität und Netzeffizienz erzielt – weshalb die Nutzung von LPWAN stetig zunimmt.
Entsprechend groß wird der Markt für LPWAN-Technologien geschätzt – allein in den USA wird bis 2026 ein Umsatzvolumen von 249,12 Mrd. US-$ erwartet [1]. Davon wollen verschiedene Anbieter profitieren: In Stellung gebracht haben sich die Telekommunikationsanbieter mit 5G, das mit Narrowband-IoT eine LPWAN-Komponente für weite Übertragungsdistanzen mit bis zu 50.000 Geräten pro Zelle offeriert. Spannend dürfte zu beobachten sein, inwiefern offene Standards, wie LoRa und Sigfox, an Bedeutung gewinnen und welche Faktoren neben Übertragungssicherheit und Kosten noch bei der Kaufentscheidung eine Rolle spielen werden. Einige Tendenzen lassen sich bereits heute beobachten:
Trend 1: Mehr Bedarf an Datenerfassung zur Steuerung komplexer verteilter Systeme
Digitalisierung hält seit einiger Zeit zunehmend Einzug in Anwendungsbereiche, in deren Fokus die Erfassung von Umwelt- und Ressourcen-Verbrauchsdaten steht. Darunter auch Bereiche, in denen es bisher nicht lohnend erschien, Umweltdaten oder Ressourcenverbrauch zu überwachen und zu optimieren. Pandemie, Energieknappheit und Klimawandel haben jedoch zu einem Umdenken gezwungen und erste Lösungen zur Überwachung der Luftqualität in geschlossenen Räumen oder auch zum Wasserverbrauch in der Landwirtschaft hervorgebracht. Die Einsatzbereiche zeichnen sich in der Regel durch weit verteilte Infrastrukturen sowie dadurch aus, dass meist eher kleinere Datenmengen in größeren zeitlichen Intervallen zu übermitteln sind. Diese Daten liefern gleichermaßen wertvolle Einblicke in Umweltveränderungen als auch in Nutzungsdauer, Nutzerverhalten oder generell in die Dynamik der im überwachten System ablaufenden Prozesse. Auf diese Weise kann der Ressourcenverbrauch einer Vielzahl von Verbrauchern konstant beobachtet, prognostiziert und optimiert werden.
Eine Voraussetzung dafür ist die Daten- und Messwerterfassung durch autarke – und damit von Energie- und Kommunikationsinfrastruktur per Leitung unabhängige – Sensortechnologien. Einen ersten Meilenstein hat dabei Smart Metering mit intelligenten Zählersystemen für den Energieverbrauch in Unternehmen und Privathaushalten gesetzt. Doch geht die hier eingesetzte Sensortechnologie nicht weit genug: Weitere nachhaltige Anwendungsszenarien, die dazu beitragen, Ressourcenverbrauch und -verluste oder Umweltverschmutzung zu reduzieren, werden den Bedarf an fortschrittlicheren technischen Lösungsansätzen zur Digitalisierung steigern. Damit einher geht die Notwendigkeit, eine zunehmende Anzahl verschiedener Systeme miteinander zu vernetzen, die sich außerhalb geschlossener Bereiche weit verteilt und über sehr viele Messpunkte hinweg erstrecken.
Trend 2: Energy Harvesting übernimmt Stromversorgung autarker Sensoren
Energieautarken Sensoren kommt folglich in den IoT-Anwendungen der Zukunft zunehmend eine Schlüsselrolle zu. Dies gilt vor allem in bisher eher weniger erschlossenen, weit verteilten Umgebungen. Deren zu überwachende Infrastrukturen unterscheiden sich stark von denen im industriellen Umfeld, auf das die Mehrzahl der bis heute entwickelten Sensortechnologien zugeschnitten ist.
Diese verteilten Umgebungen bzw. stand-alone arbeitenden Messstationen zeichnen sich durch größere, durch Übertragungstechnologien zu überwindende Entfernungen, ein härteres Umfeld (beispielsweise freie Natur oder toxische Umgebungen), kleinere Datenübertragungsintervalle und den Bedarf an einer autarken Energieversorgung der Mess- und Übertragungssysteme aus. Letzteres vor allem deshalb, weil die Anbindung an ein Stromnetz nicht möglich ist und sich der Einsatz von regelmäßig auszutauschenden Batterien wegen der großen geografischen Distanzen im Rahmen einer manuellen Wartung nicht rechnet.
Dabei könnte die Energieversorgung einerseits durch den Einsatz langlebiger Batterien oder aber durch die Zukunftstechnologie des Energy Harvesting gewährleistet werden. Bei dieser wird Energie aus Bewegung, Licht oder auch Temperaturunterschieden gezogen. Hersteller von Sensoren und Messwertaufnehmern werden folglich gefordert sein, ihre Produkte auf diese Anwendungsbereiche hin weiterzuentwickeln, um sich in diesen zukunftsträchtigen Feldern erfolgreich zu positionieren. Gefordert sind technische Lösungen für die autarke Energieversorgung der Produkte als optionales Add-on. Denn nur so können die variablen Rahmenbedingungen der unterschiedlichen Anwendungsbereiche berücksichtigt werden – bei gleichzeitig guten wirtschaftlichen Erträgen. Energy Harvesting könnte folglich der Startschuss für die Entwicklung einer vollkommen neuen Generation von energieeffizienten, autonomen und wartungsarmen Messgeräten sein.