Nachrüstung einer bestehenden Substanz durch Home-Automation und Energy Harvesting

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Home Automation
2.1 Sicherheitslösungen
2.2 Energiemanagement
2.3 Ambient Assisted Living
2.4 Komfort
2.5 Technologische Grundlage
2.5.1 WLAN
2.5.2 Bluetooth
2.5.3 ZigBee
2.5.4 Z-Wave
2.5.5 EnOcean
2.6 Aktueller Markt / Trend

3. Energy Harvesting
3.1 Technologien
3.1.1 Solarzellen
3.1.2 Seebeck-Effekt
3.1.3 Piezoelektrische Wandler
3.1.4 Batterie
3.1.5 Vergleich der Technologien
3.2 Einsatz in der Home Automation

4. Schlussbetrachtung

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Umgebungsenergie und -wandler Vergleich: (Benecke et al. 2009, S. 129)

Abb. 2: Prinzipieller Aufbau einer Solarzelle Vergleich: (Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V. 2014)

Abb. 3: p-n-Übergang Quelle: (Deska 2016)

Abb. 4: Seebeck-Effekt Quelle: (Uni Bremen 2016)

Abb. 5: Prinzip des longitudinalen, piezoelektrischen Effektes Quelle: (vgl. Hering und Schönfelder 2012, S. 3)

Abb. 6: Schematische Darstellung der unterschiedlichen piezoelektrischen Effekte. a Longitudinaleffekt; b Transversaleffekt; c Longitudinaler Schereffekt; d Transversaler Schereffekt Quelle: (Tränkler und Reindl 2014, S. 58)

Abb. 7: Funktionsweise der Batterie Quelle: (SimplyScience.ch 2012)

Abb. 8: Baugrößen der exemplarisch ausgewählten Energy Harvester sowie der Primärbatterie für eine Leistungsabgabe von P’=500 μW Quelle: (Benecke et al. 2009, S. 132)

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Die vorliegende Praxisarbeit „Nachrüstung einer bestehenden Substanz durch Home-Au- tomation und Energy-Harvesting“ dient der Auseinandersetzung mit der Frage, welche technologischen Faktoren es für eine erfolgreiche Nachrüstung zu berücksichtigen gilt. Dabei lassen insbesondere die Umsatzprognosen und der auf Home-Automation gerich- tete mediale Fokus Rückschlüsse auf die große Bedeutung solcher Erkenntnisse für Un- ternehmen, sowohl im Baugewerbe als auch für Dienstleister und Hersteller von Home- Automation, zu.

In nahezu allen Lebensbereichen, vorrangig in privaten Wohnungen oder Häusern, findet sich Home-Automation inzwischen wieder und rückt durch ähnliche Trends wie „Internet of Things“ oder „Ambient Assisted Living“ weiter in den Mittelpunkt. Home-Automation kann sich in fast allen Lebensbereich im privaten Heim wiederfinden und in diesen unterstützen. Insbesondere durch ähnliche Trends wie dem „Internet of Things“ oder dem „Ambient Assisted Living“, rückt Home-Automation weiter in den Mittelpunkt.

Daher ist Ziel dieser Arbeit die Ausarbeitung und Erläuterung der grundsätzlichen Bedeu- tung dieser Thematik und seiner technologischen Voraussetzungen. Dazu werden zunächst grundlegend die vier wesentlichen Einsatzgebiete von Home Au- tomation beschrieben. Im Folgenden werden Drahtlostechnologien erläutert, um diese an- schließend sinnvoll in den Gesamtzusammenhang einordnen zu können. Auf der Basis der ermittelten Einsatzgebiete und technologischen Grundlagen wird sodann der aktuelle Markt untersucht.

Der sich hierbei abzeichnenden Problematik der diffizilen Stromversorgung wird durch den nachfolgend dargestellten Lösungsansatz des Energy Harvesting und dessen Technolo- gien begegnet.

Die Arbeit endet mit einer Gesamtbetrachtung vom Einsatz des Energy Harvesting in der Home Automation, die insbesondere den positiven Nutzen dieses Trends herausstellen soll.

Die Ausarbeitung erfolgt unter Zuhilfenahme zahlreicher Quellen. Aus den vorwiegend genutzten Büchern und Internetquellen wurden die theoretischen Grundlagen entnommen und anschließend ausgearbeitet.

2. Home Automation

Home Automation bezeichnet die intelligente Ausstattung einer privaten Wohnung oder eines Eigenheimes.

Hierbei kommt es zu einer Vernetzung zahlreicher Geräte, die Logiken autonom, digital abbilden können und in Form von Haushaltstechnik, Konsumelektronik oder Kommunika- tionsgeräten vorliegen können.¹ Im Vergleich zur einzelnen und isolierten Nutzung dieser Geräte bieten die Verknüpfungen und der gegenseitige Datenaustausch eine Vielfalt neuer Möglichkeiten und dadurch einen Mehrwert für den Konsumenten. Dieser drückt sich vor allem in Sicherheitslösungen, im Energiemanagement, im Komfort und im Ambi- ent Assisted Living aus.²

Da eine Optimierung des einen Bereiches zugleich auch die Verbesserung eines Anderen zur Folge haben kann, sind diese Bereiche nicht immer trennscharf voneinander zu unter- scheiden.

Eine Gegenüberstellung mit dem Begriff Smart Home bietet eine bessere Eingrenzung des Begriffes Home Automation, da Home Automation auch als Teil von Smart Home ver- standen werden kann. Die Definition Smart Home kann die reine Visualisierung der Daten beinhalten, aber auch durch die Aufzeichnungen und Analysen des Nutzerverhaltens die vollständige Automatisierung des Heimes. Dagegen inkludiert Home Automation oder auch Hausautomation die Funktion der automatischen Regelung eingesetzter vernetzter Geräte. Trotz dieser eingängigen Konkretisierung gibt es keine standardisierte Definition, weswegen Smart Home und Home Automation oft auch synonym verwendet werden.³ Darüber hinaus wurde inzwischen Smart Home als ein Teil von Internet of Things erkannt. Diese Korrelation entstand durch die ähnliche Ursprungsidee, Geräte intelligent zu vernet- zen um dadurch den Lebensstandard der Nutzer zu erhöhen.⁴

2.1 Sicherheitslösungen

Das mit 38% größte Kundenbedürfnis, dem durch Home Automation Rechnung getragen werden soll, ist laut einer Umfrage des Beratungsunternehmens Deloitte aus dem Jahr 2015 das Bedürfnis nach Sicherheit.⁵ Es erstreckt sich auf den Schutz vor Einbrechern, den Schutz von Familie und Kindern sowie auf Feuerschutzmaßnahmen und zeichnet sich durch einen Anstieg der Nachfrage nach digitalen Türschlössern, Funksensoren, Feuer- und Rauchmeldern, sowie Überwachungskameras aus.⁶ Außerdem sind bereits die auto- matisierte Benachrichtigung öffentlicher Dienste, wie der Feuerwehr oder der Polizei, im Einsatz.

Die drei dargestellten Schutzbereiche lassen sich im Kontext der Home Automation auf Aufgaben der Überwachung, Abschreckung und Alarmierung komprimieren.

2.2 Energiemanagement

Mit 34% ergab sich als das zweitgrößte Bedürfnis das Bedürfnis nach einem positiven Energiemanagement.⁷

Dieser Eindruck wird dadurch bestärkt, dass zahlreiche Energieunternehmen, wie bei- spielsweise RWE, EWE oder Vattenfall, in den Bereich der Home Automation eingestie- gen sind.

Ziele des Energiemanagements sind die Kostenreduktion und die Verbesserung der Umweltbilanz, wozu insbesondere die komfortablere Gestaltung des CO2-Austoßes und die Kontrolle über den Energieverbrauch und die Temperatur gehören. Da 60% der Energie beim Heizen von Privathaushalten verbraucht werden,⁸ sind smarte Thermostate hierbei am weitesten verbreitet.

Bei Thermostaten handelt es sich um Heizkörperventile, mit denen sich die Temperatur regeln lassen. Smart werden die Thermostate durch die Vernetzung mit anderen Geräten über das Internet oder per Funk. Außerdem können die Thermostate nutzungsabhängig gesteuert werden oder sich automatisch dem Verhalten der Nutzer anpassen. So könnte beispielweise das vernetzte Heim mit Hilfe von Sensoren erkennen, dass sich keine Person zuhause aufhält und daraufhin über entsprechende Thermostate die Heizkörper niedriger regulieren um Energie zu sparen.⁹

2.3 Ambient Assisted Living

Ambient Assisted Living oder auch „altersgerechte Assistenzgeräte“ ist eine Möglichkeit durch Home Automation den wachsenden Bedürfnissen in höheren Alter gerecht zu werden. Die Idee resultiert aus dem demographischen Wandel in Deutschland und der damit einhergehenden Vergrößerung der Divergenz zwischen der erwerbstätigen deutschen Bevölkerung und den Rentnern, die sich kontinuierlich ausweitet.

Das Ziel dieser Technik ist die altersgerechte Umgestaltung von Wohnungen.¹⁰, wobei grundsätzlich die Geräte aus dem Home Automation Segment genutzt werden können. So lassen sich unter anderem Überwachungsmöglichkeiten realisieren, die fortlaufend über den Zustand einer pflegebedürftigen Person informieren oder Notfallsysteme umset- zen, die an die Überwachung gekoppelt sind oder per aktivem Ruf ausgelöst werden kön- nen.

Indem Routinen programmiert werden oder Steuerungstechnologien den Fernzugriff auf Geräte zulassen, können Einschränkungen in der Beweglichkeit oder zur Erhöhung der Bequemlichkeit teilweise überwunden und unterstützt werden.¹¹ Hiermit wird besonders das große Bedürfnis nach Sicherheit befriedigt.

2.4 Komfort

Eine Steigerung des Komforts kann durch die Abgabe von Routineaufgaben erreicht werden und führen so zu einer Vereinfachung des Lebens, die ohne ein intelligentes Zuhause, nicht möglich wäre. Mit Routineaufgaben sind in diesem Zusammenhang wiederkehrende Haushaltsaktivitäten gemeint¹².

Solche und andere Aktivitäten können durch Home Automation angestoßen werden, wenn dies durch Personen unmöglich ist. Besonders sinnvoll sind solche Trigger bei schlafenden, körperlich eingeschränkten oder abwesenden Personen.

Da sich so auch Haushaltsgeräte genauer und ortsunabhängig steuern lassen, ist die Überschneidung vom Komfort zu den übrigen Bereichen der Sicherheitslösungen, dem Energiemanagement und dem Ambient Assisted Living am Größten. Wird beispielsweise das Raumklima reguliert, hat das entsprechende Auswirkungen auf das Energiemanagement, wird der Türklingel eine Videokamera hinzugefügt, erhöht sich die Sicherheit und die Fernsteuerung von z.B. Waschmaschine oder Trockner fördert das Ambient Assisted Living.

2.5 Technologische Grundlage

Die wohl größte Herausforderung der Home Automation ist, dass viele Daten auf unter- schiedlichen Geräten und Plattformen generiert werden müssen. Sie liegen dabei in un- terschiedlichen Formaten und Größen, sowohl innerhalb als auch außerhalb des Heimnet- zes vor.¹³

Außerhalb des Heimnetzes liegende Daten erfordern einen höheren Schutz, da sie durch die erforderliche Übertragung der Möglichkeit von Angriffen auf das Netzwerk ausgesetzt sind.

Um eine Lösung dieser divergenten Anforderungen zu ermöglichen, lässt sich zunächst feststellen, dass ein Sendegerät Daten an ein Empfangsgerät senden soll. Durch die Wechselseitigkeit von Senden und Empfangen, lässt sich ein Gerät nur in einem konkreten Zustand als Sendegerät oder Empfangsgerät definieren. Des Weiteren sind Protokolle not- wendig, damit die Daten in einer in sich interpretierbaren Form übertragen und empfangen werden können. Die Übertragung kann in einer drahtlosen oder einer leitungsgebundenen Architektur vorliegen.

An die Übertragung werden unterschiedliche Anforderungen gestellt. Darunter eine pas- senden Übertragungsrate und ein entsprechender Datendurchsatz, eine große Reich- weite, eine möglichst störungsfreie Übertragung und minimale Kosten. Zusätzlich bestim- mende Parameter sind weiter die Datenmenge und die Zuverlässigkeit. Zwischen dem Sender und Empfänger liegen Netzwerkkomponenten, die die Kommunikation ermögli- chen.

Im Zusammenhang mit Energy Harvesting nehmen Drahtlostechnologien eine hohe Relevanz ein. Durch Drahtlostechnologien werden die Flexibilität der Home Automation Geräte erhöht und gleichzeitig die Kosten reduziert. Es besteht allerdings auch die Gefahr, dass die Übertragungsrate durch physikalische Hindernisse reduziert wird.¹⁴

Inzwischen haben sich zahlreiche Technologien entwickelt. Die Bekanntesten sind WLAN, Bluetooth, ZigBee, Z-Wave und EnOcean. Darüber hinaus gibt es RFID, Konnex-RF, Wireless-USB, GSM, UMTS, WiMax, DECT u.v.m.. Nachfolgend werden die bekanntesten Technologien näher betrachtet.

2.5.1 WLAN

In einem WLAN oder Wireless Local Area Network findet die Kommunikation der Geräte über ein Access-Point, oftmals einen Router, statt. Diese Art der Kommunikation wird als Infrastruktur-Modus bezeichnet. Außerdem nutzt WLAN den Funkstandard IEEE 802.11x.¹⁵

WLAN ist inzwischen in vielen Haushalten vorhanden. Allerdings ist diese Technologie im Idealfall auf 100 Meter beschränkt. Außerdem ist sie sehr störanfällig, wenn Hindernisse zwischen dem Access-Point und dem kommunizierenden Gerät oder Client liegen. Diese Störungen reduzieren die Datenübertragung oder können eine Verbindung gänzlich ver- hindern. Ein weiteres Problem besteht im geringen Umfang möglicher Frequenzen, die sich mit anderen Geräten überschneiden können und sich dadurch stören. Zusätzlich kann die Leistung durch Zugriffssteuerungen und dem angeforderten Datendurchsatz der inhä- renten Clients reduziert werden. Deswegen sollte WLAN nicht als einzige Funktechnologie eingesetzt werden.¹⁶

2.5.2 BLUETOOTH

Im Vergleich zum WLAN kommunizieren im Ad-hoc-Modus die Geräte mittels Radiowellen in einem Netzwerk direkt miteinander. Als Funkstandard wird IEEE 802.15.1 genutzt. Das Netzwerk besteht aus einem zentralen Gerät, auch Master genannt, das eine Verbindung zu mehreren Peripheriegeräten, den Slaves, aufbaut. Diese Art des Netzwerks wird als Piconet bezeichnet. Da die Adresse eines Piconet aus 3 Bit besteht, können maximal 2^3 = 8 Geräte in diesem Piconet aktiv teilnehmen. Hierbei ist zu beachten, dass in diesem Netzwerk keine echte Parallelität existiert, da der Master immer nur mit einem Slave kom- munizieren kann.¹⁷ Die Reichweite ist hier, wie auch beim WLAN, auf 100 m beschränkt. Außerdem kann es durch Geräte im gleichen Frequenzbereich zu Störungen kommen. Bluetooth hat einen deutlich geringeren Energieverbrauch als WLAN.¹⁸

2.5.3 ZIGBEE

ZigBee basiert auf dem Funkstandard IEEE 802.15.4 und wurde konzipiert, um kleine Da- tenmengen mit möglichst geringem Energieverbrauch auszutauschen. Aus diesem Grund wird diese Technologie in batteriebetriebenen Geräten oder oft auch in Sensoren einge- setzt. In dem Funkstandard IEEE 802.15.4 sind die PHY- und MAC-Schichten definiert. ZigBee erweitert diese um die NWK- und APL-Schichten.¹⁹ Die PHY-Schicht oder physi- kalische Schicht beschreibt das Übertragungsmedium, über das die Bitströme übertragen werden. Die MAC-Schicht ist die Sicherungsschicht und stellt den Austausch der Daten- pakete sicher. Die zusätzlich definierte Schicht NWK oder Netzwerkschicht steuert das Routing, also den Austausch von Datenpaketen über mehrere Knoten hinweg. Zusätzlich wird die APL- oder Anwendungsschicht festgelegt. Diese beschreibt die Schnittstelle zum User Interface.²⁰

[...]

¹ vgl. Strese et al. (2010, S. 8)

² vgl. HausXXL (2015)

³ vgl. CosmosDirekt (2016)

⁴ vgl. Schiller (2015b)

⁵ vgl. Gentner und Wagner (2015, S. 5)

⁶ vgl. Knöpke und Carter (2015, S. 13)

⁷ vgl. Gentner und Wagner (2015, S. 5)

⁸ vgl. Knöpke und Carter (2015, S. 15)

⁹ vgl. Vörtmann (2015)

¹⁰ vgl. Hoffmann (2016)

¹¹ vgl. Schiller (2015a)

¹² vgl. Knöpke und Carter (2015, S. 17)

¹³ vgl. Glasberg und Feldner (2009, S. 19)

¹⁴ vgl. Glasberg und Feldner (2009, S. 20)

¹⁵ vgl. Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik

¹⁶ vgl. Glasberg und Feldner (2009, S. 22)

¹⁷ vgl. CCM Benchmark Group (2016)

¹⁸ vgl. Glasberg und Feldner (2009, S. 22)

¹⁹ vgl. ITWissen.info (2015)

²⁰ vgl. Netzwerke.com (2014)