Energiskörd handlar om att utnyttja lågvärdig energi som annars går till spillo, främst till att driva elektronik med låga effektkrav. Det ger miljönytta genom att mer nyttigt arbete utförs av den energi vi redan producerat. Samtidigt finns många tillämpningar där det är gynnsamt att inte behöva batterier eller kabeldragningar – allt från marksensorer till kroppsimplantat. Innovationer som piezoelektriska material odlade i form av virus kan bidra till att ge tekniken skalbarhet.

Varje gång någon går på en matta från Pavegen skördas energi från fotstegen. Den teknik som används omvandlar den kinetiska energin till elektricitet som kan lagras och användas på en mängd olika sätt.

Energi i omvandling

Energi kan som bekant aldrig förstöras, utan genomgår en kedja av omvandlingar mellan olika former. Vissa former värderar vi högre eftersom de är lättare att utnyttja; vi kan till exempel använda lägesenergin i ett vattenmagasin för att driva turbiner i ett vattenkraftverk, och med generatorer omvandla den rörelsen till elenergi som är lätt att distribuera och använda till många olika syften. Elen kan till exempel driva en elmotor och omvandlas tillbaka till rörelseenergi. Ur vårt perspektiv är sista länken i många energikedjor utstrålning av låggradig värme, som inte längre låter sig utnyttjas.

När vi använder energi till ett arbete uppkommer också alltid förluster längs vägen i kedjan – till exempel friktionsvärmen i en maskin eller omvandlingsförluster i elnätet. Den andel av den tillförda energin som gör nytta kallar vi verkningsgrad: en bensindriven bil kan ha en verkningsgrad på runt 25% och använder då en fjärdedel av bränslets energi för att förflytta sig och sin last, och en muskel omvandlar kemisk energi till rörelse med liknande verkningsgrad.

Ur ett miljöperspektiv är energifrågan central och ständigt närvarande, och det finns flera olika sätt att öka miljönyttan genom att fokusera på olika steg i kedjan. Ett sätt är förstås att satsa på renare former av ursprungsenergi. Ett annat är att gå över till energieffektivare apparater med högre verkningsgrad och mindre energibehov. Ett tredje är att välja tekniska lösningar som minimerar förlusterna i distribution och omvandling – och där finns stora vinster att hämta: över en fjärdedel av den energi som produceras försvinner på vägen till användaren.

Att återvinna spillenergin

Ytterligare en annan infallsvinkel är något som kallas för energiskörd, eller energy harvesting. Det handlar om olika metoder för att ta vara på den ambienta energin som är på väg att gå till spillo, och försöka utnyttja den ett varv till i form av elektricitet. Spillenergin kan utgöras av små värmeskillnader, vibrationer, radiovågor – eller helt enkelt mekaniskt arbete från människor i rörelse. Grundprincipen som energiskördarna bygger på är piezoelektriska, termoelektriska eller pyroelektriska effekter i vissa material.

Piezoelektriska material har egenskapen att kunna utvinna elektricitet ur rörelser, ljud och vibrationer. Mekanismen för detta är att materialen har laddningar separerade inom en symmetrisk kristallstruktur; när de utsätts för mekanisk belastning rubbas strukturen, och en laddningsasymmetri uppkommer som ger upphov till en spänning.

Termoelektriska och pyroelektriska material bygger i stället upp elektrisk laddning genom att absorbera och omvandla värmeenergi. I de förstnämnda sker det när kristallerna i materialet upplever en skillnad i temperatur mellan sina olika sidor. I de senare genereras istället elektricitet medan materialet undergår en temperaturförändring.

Låg effekt men stor potential

Eftersom energiskörd arbetar med diffusa energier nära gränsen för vad som är meningsfullt att ta vara på, blir effekten i regel liten. Det främsta användningsområdet är därför elektronik med låga effektkrav – som emellertid kan vara nog så betydelsefull. Ett exempel är nätverk av trådlösa sensorer – en teknik som kan föra med sig stora effektiviseringar inom både industri och jordbruk (se artikeln ”Effektivare resursanvandning i jordbruket”). På sikt kan energiskörd hand i hand med nanoteknik öppna för självgående mikromaskiner som inte begränsas av batterier. De tänkbara tillämpningarna av det vore närmast obegränsade, inte minst inom biotekniken.

Ett annat viktigt område där energiskörd kan göra nytta är för att ersätta batterier i medicinska implantat, där den begränsade driftstiden annars utgör ett stort problem. Hjärtslagen, de inre organens rörelser eller kroppens glukosreserver kan fungera som energikällor.

Energiskördare har förstås potentialen att minska behovet av batterier i allmänhet. Det kan i sig vara fördelaktigt ur miljösynpunkt, till exempel med tanke på vissa batteriers innehåll av giftiga tungmetaller.

Företagen Pavegen och PowerLeap är exempel på aktörer som börjat experimentera med piezoelektriska golv- och trottoarbeläggningar, som kan utvinna elström ur spillenergin från de som går på dem. Försöksinstallationer i mindre skala finns redan runt om i världen. Integrerade i miljöer som järnvägsstationer, och andra platser där stora folkmassor är i rörelse, kan de komma att ge märkbara tillskott till den lokala elförsörjningen. En variant på detta kan vara vägar som fångar upp vibrationer från vägbanan för att driva trafiksignaler. Andra kanske mindre omvälvande men ändå praktiska tillämpningar kan vara att bidra till strömförsörjning av mobila enheter och därigenom minska effektuttaget från elnätet.

Sol-, vind- och vågkraft i allmänhet kan förstås också ses som energiskörd, om än i större skala och högre upp i energikedjan. Exempelvis vindkraftverk skulle emellertid också kunna konstrueras i mikroskala med hjälp av piezoelektriska material, för att tillgodose lokala behov. En föreslagen sådan design är långa, vajande stjälkar av kolfiberförstärkta rör – som i Windstalk-projektet. Stjälkarna byggs upp av piezoelektriska skivor staplade på varandra, som deformeras och bygger upp laddning när vinden kröker stjälkarna.

Genteknik ger nya material

För att energiskördarna ska få ett större genombrott krävs att materialen utvecklas så att tekniken blir lättare att skala upp. Ett utvecklingsspår som verkar lovande är att odla piezoelektriska material, i form av genetiskt modifierade virus. Många biologiska material har piezoelektriska effekter, och de kan förstärkas ytterligare i laboratoriet. Virusbaserade material skulle vara lätta att arbeta med tack vare virusens förmåga till självreplikering och deras egenskap att naturligt ordna sig till en filmliknande struktur.

Vårt behov av energi är stort och växande, och det är lätt att bara vända blicken mot de stora frågorna förknippade med stegen högt upp i energikedjan. Men även att återvinna något av den energi som är på väg att sippra oss ur händerna kan göra sitt till för energikalkylen, samtidigt som det bidrar med både miljönytta i sig och nya tekniska möjligheter.

Artikeln publicerad februari 2014