Bits&Chips

Energy harvesting gaat mainstream

16 februari 2018 

 Momenteel hebben de meeste iot-devices een batterij nodig, maar als het aan de Delftse startup Nowi Energy ligt, plukken ze hun energie voortaan gewoon uit de lucht.

Het klinkt nog een beetje als een hobbyproject of een academisch speeltje: iot-sensoren die werken op het piepkleine beetje energie van een wifisignaal. Voor de Delftse startup Nowi is het echter serieuze business. Serieus genoeg in elk geval om het aan te durven een eigen chip te maken, die zich moet meten met de grote jongens - de Microchips, TI’s en Linears van de wereld. Serieus genoeg ook dat spelers als Bam en Prorail al rf-etende temperatuursensoren uit Delft verwerken in asfaltwegen en perrontegels - weliswaar nog bij wijze van proef, maar wel met de bedoeling om snel op te schalen.

Nowi ontstond een jaar of twee geleden toen Simon van der Jagt en Omar Link zich voor hun afstudeeropdracht bij industrial design engineering aan de TU Delft bogen over de energievoorziening voor iot-devices. Op een enkel zonnepaneeltje hier en daar na is nagenoeg de hele vloedgolf aan iot-sensoren van de afgelopen jaren gebaseerd op de oude vertrouwde batterij. Maar iedereen is het er wel over eens dat die oplossing niet ideaal is; niet alleen is de chemische opslag milieuonvriendelijk, het nalopen van sensoren om batterijen te vervangen, maakt haar ook erg duur.

Toen Van der Jagt en Link begonnen rond te kijken, diende de oplossing zich eigenlijk al snel aan: ‘We hadden het geluk dat de TU Delft toevallig een van de allerbeste is in de wereld van energy harvesting. Daar zagen we ontzettend gave experimenten. Het werd alleen niet echt toegepast op een echt probleem’, zegt Van der Jagt, die nu ceo is bij Nowi.

Samen met de elektrotechniekafdeling begon het tweetal daarom te sleutelen aan een prototype sensor die praktisch inzetbaar zou zijn: een sensor voor de temperatuur - een eenvoudige, maar relevante parameter - die gevoed werd met een krachtige rf-zender. Die straalde energie uit in de vrije frequentiebanden, waar ook wifi en bluetooth in opereren.

Nowi-ceo Simon van der Jagt toont een temperatuursensor voor in het wegdek.

Al snel bleken echter de beperkingen van die aanpak. ‘Tijdens een handelsmissie in Singapore stonden we op een beurs, en wanneer we onze zender aanzetten, stopten alle demo’s met werken’, vertelt Van der Jagt. ‘Bovendien is het ook niet helemaal legaal om zo’n krachtige zender te gebruiken. Toen hebben we ons wel even achter de oren gekrabd of dit een goede insteek was.’

Maar rf-straling is er natuurlijk al volop, binnenshuis van wifi en buiten vooral van gsm. De energiedichtheid is weliswaar lager dan bij een specifieke zender, maar voor een simpele iot-sensor kon het genoeg zijn.

En er zijn meer energiebronnen die best wel wat energie kunnen leveren voor zo’n simpele sensor, zoals licht en warmteverschillen. Het team besloot zich daarop te richten. ‘Buiten is gsm de voor de hand liggende energiebron, binnen is het wifi’, aldus Van der Jagt. ‘Uit licht kun je nog wel wat meer halen, een paar microwatt per vierkante centimeter makkelijk. Maar dat heeft wel het nadeel dat het er ’s avonds niet is. Bovendien is een zonnepaneeltje magnetisch en het verzamelt stof.’

Hybride oplossing

De focus op deze soort ‘ambiënte’ bronnen bracht echter nieuwe hoofdbrekens met zich mee. Naast de lagere energiedichtheid is ook betrouwbaarheid een heet hangijzer: hoe weet je als gebruiker zeker dat er altijd, 24 uur per dag, voldoende energie zal zijn? De technologie zal uiteindelijk wel zo goed worden dat er altijd voldoende geoogst kan worden, maar op dit moment is dat nog niet aan de orde.

Het Nowi-team had echter een gelukje, want bij de TU Delft meldde zich een bedrijf met een gek probleem: de batterij van een temperatuursensor die in principe jaren mee zou moeten gaan, was al na anderhalf jaar leeg. Het probleem bleek te zitten in de typische aanpak om energie te sparen. ‘Zo’n sensor slaapt bijna de hele tijd met een extreem laag energieverbruik en wordt dan een paar milliseconden lang wakker waarbij het verbruik ineens tienduizend keer hoger wordt. Dat is absoluut gezien weliswaar heel weinig, maar dat hele grote verschil bleek de snelste manier te zijn om een batterij kapot te maken’, verklaart Van der Jagt.

Met dat gegeven kon Nowi een hybride oplossing ontwikkelen die al direct een interessante businesscase bood. Naast de batterij krijgt het device een supercapacitor, die tijdens de slaapcyclus wordt geladen met geoogste energie. Zo’n condensator is ideaal om plotselinge stroompieken te voeden, waardoor de batterij de hele tijd een constante belasting houdt. Maar hij kan eventueel wel dienen als backup, mocht de ambiënte energie ontoereikend zijn.

Het idee om er een bedrijf omheen op te richten, begon gaandeweg te rijpen. Er kwamen haalbaarheidsstudies en opdrachtjes, prototypes werden beter, en er bleven steeds meer mensen plakken. Een cto werd gevonden toen de promotie van André Mansano werd aangekondigd op de displays bij de Delftse Ewi-faculteit; zijn samenvatting kwam bijna een-op-een overeen met waar Nowi mee bezig was.

De vastgoedsector is erg geïnteresseerd in onbekabelde en onderhoudsloze oplossingen voor gebouwbeheer.

Een eigen stroomconversie-ic

Het bedrijfje is ondertussen uitgegroeid tot twaalf man, verdeeld over twee teams. Het eerste is het applicatieteam, dat zich bezighoudt met toepassingen bij potentiële klanten. Maar de langetermijntoekomst van Nowi ligt bij het andere team: de chipontwerpers. ‘In het begin hadden we het idee dat we hele sensoren wilden maken, met communicatie en alles erop en eraan. Maar je kunt uiteindelijk maar goed zijn in een aantal dingen’, aldus Van der Jagt. ‘Dus we hebben steeds meer schillen van de ui gepeld.’

Wat als kern overbleef, was een geavanceerd ontwerp voor stroomconversie, legt de Nowi-ceo uit. ‘Als je kijkt naar energy harvesting, dan heb je iets van een antenne of een zonnecel die een heel laag voltage geeft, dat ook nog eens heel erg fluctueert. Het powermanagement moet dat voltage omhoog brengen naar iets bruikbaars, en dan nog wat slimme dingen doen qua opslag.’

Op dit moment is de tapeout voor de eerste versie compleet, en de hoop is rond de jaarwisseling op de markt te kunnen verschijnen. ‘Dat is op lange termijn het eindproduct van het bedrijf. Of in elk geval het meest schaalbare; het maakt niet uit of je het in een wearable wilt doen of in de weg wilt stoppen.’

Van der Jagt pakt er een slide bij waarop hij de specs van Nowi’s chip vergelijkt met concurrerende oplossingen. Opvallend is het grote verschil in het benodigde inputvoltage: het Delftse ic heeft slechts veertig millivolt nodig, tegen driehonderd voor de concurrentie. Dat is niet triviaal, want juist in dat gebied zit veel van de oogstbare energie.

Een ander punt is de efficiëntie waarmee dat kleine beetje spanning naar een bruikbaar niveau wordt gebracht; het zou zonde zijn als alle energie daarmee weer verloren gaat. Ook daar scoort de Nowi-chip goed. ‘Daarnaast zitten er nog een paar andere dingen in, zoals slim switchen tussen energiebronnen. Heel veel onderzoek focust juist op totaal batterijloze devices. Dat is academisch de mooiste oplossing, maar op korte termijn niet het meest praktisch’, stelt Van der Jagt.

Overal toepasbaar

Ondertussen is het applicatieteam druk bezig met het uitwerken van toepassingen, vooralsnog gewoon met een circuit van discrete componenten. ‘Met dat team kijken we naar het toepassen en waardevol maken van metingen. Dat is gedeeltelijk gewoon een manier om cashflow te genereren, maar we leren er ook heel veel van, want in de praktijk zijn dingen toch wel weer anders dan je had gedacht’, legt Van der Jagt uit. Over welke klanten of toepassingen dat zijn, kan hij niet al te veel kwijt. Wel is duidelijk dat de sensoren terechtkomen in omgevingen uiteenlopend van het asfalt van de snelweg tot aan de muren van kantoorgebouwen.

Voor de energy harvesting maakt het allemaal niet zo veel uit. ‘Het communicatieprotocol is eigenlijk de grootste variabele, de variabele die gewoon het meeste energie kost. Nu kun je zo’n beetje één keer in de vijf minuten wat meten en doorsturen in een gebouw, en buiten moet je met Lora of NB-IOT aan de slag en is het eerder één keer in het kwartier. Maar in beide zit wel echt enorme groei; ze worden in hoog tempo energiezuinig’, ziet Van der Jagt. ‘En verder moet je wel opletten met de plaatsing van je sensor, maar dat is meestal gewoon gezond verstand. Een zonnecelletje moet je niet op een pikdonkere plek ophangen en als je telefoon het niet doet in een bepaalde omgeving, dan is het ook niet zo’n goed idee om daar een rf-oogster op te hangen.’

Op 7 maart geeft Nowi-ceo Simon van der Jagt een lezing over energy harvesting op de Dutch Ultra Low Power Conference.

Abonneer direct op onze nieuwsbrief

abonneren

Info-middag SME Instruments

25 juni

Eindhoven

Machine vision for mechatronic systems

3 juli - 4 juli

Eindhoven

Machine vision for mechatronic systems

3 juli - 4 november

Eindhoven