Hur många batterier tål IoT egentligen?

I diskussionen om hållbar teknik är det något som ofta faller mellan stolarna: batterierna. Inte de stora litiumbatterierna utan de små celler som gömmer sig i IoT-enheter. Under en presentation av Robert Forchheimer nämnde han att 78 miljoner IoT-batterier byts dagligen, med hänvisning till en prognos från 2021 (Robert underströk att han var osäker på siffran).

IoT är beroende av små batterier

Siffran 78 miljoner stämmer inte överens med verkligheten men många försvarar användning av primärceller. Det här leder till en fråga, hur beroende av primärcellsbatterier är IoT-enheter och hur använder vi exempelvis energiskördande teknkier.

För att veta hur många batterier som går åt globalt i IoT-enheter måste vi göra ett antal antaganden. Antalet aktiva IoT-enheter i världen är svårt att veta exakt, men det kan uppskattas till över 15 miljarder – en uppskattning som stöds av data från IoT Analytics och Statista.

Vi vet inte hur många som drivs med batteri

Hur många av dessa är batteridrivna? Ingen vet exakt. Men i många tillämpningar är primärceller standardlösningen. Det är enkelt och billigt. Att de sen måste bytas tas ofta inte med i kalkylen för total ägandekostnad eller miljöavtryck, det blir "någon annans problem".

Mina egna hemlarmsensorer behöver nya batterier ungefär var artonde månad. Mina AirTags håller några månader. Å andra sidan når industriella sensorer ofta 10 års batteritid – i alla fall om man får tro data från tillverkaren.

Batteribyten sker oftare än vi tror

Om vi tänker att hälften av IoT-enheterna är batteridrivna handlar det om cirka 8 miljarder enheter som drivs av batteri. Med en genomsnittlig batterilivslängd på fem år innebär det att 1,6 miljarder batterier måste bytas ut varje år, eller drygt 4 miljoner per dag. I verkligheten har många enheter kortare livslängd, vissa använder flera celler. Det är inte orimligt att den dagliga globala förbrukningen ligger närmare 8–10 miljoner batterier per dag, inte 78 miljoner, men väldigt många.

De vanligaste batterierna i IoT är batterier som visserligen erbjuder lång livslängd, men som i praktiken sällan är återvinningsbara. Det säljs omkring 15 miljarder alkaliska batterier globalt varje år, enligt Avicenne Energy (2022). Det gör batterier för IoT till en betydande andel av världens totala batterikonsumtion. Till skillnad från batterier i telefoner eller datorer är primärceller inte laddbara och riskerar efter avslutad tjänstgöring att bli elektronikskrot – eller i värsta fall slängas på fel sätt.

Energy harvesting borde vara standard idag

Trots att tekniken inte är ny, är det fortfarande ovanligt att se IoT-enheter som drivs med energiskördning eller energy harvesting – alltså att de alstrar sin egen energi från omgivningen. Det finns flera tekniska lösningar som fungerar, och många är tillräckligt mogna för att användas i praktiken. Ändå lyser de med sin frånvaro, man undrar ju: -varför?

Fyra tekniker som skördar energi

Solenergi – Solceller är det mest beprövade alternativet, särskilt för utomhusmiljöer. Tekniken är stundtals kostsam, svår att dimensionera (mörkt och kallt i Sverige på vintern) och kräver genomtänkt montering. För inomhusbruk är traditionella solceller ofta för ineffektiva – ljusnivåerna är helt enkelt för låga. Men nya generationens inomhussolceller har tagit stora kliv. De kan generera tillräckligt med mikroeffekt för att driva BLE-sensorer, rörelsesensorer eller andra lågeffektsystem. Utmaningen är att energitillgången varierar kraftigt över dygnet och energi kan behöva lagras.

Piezo och vibration – i miljöer med rörelse – som dörrar, maskiner eller tryckknappar – kan energi återvinnas med Piezo-teknik. Det finns företag som har byggt hela ekosystem på denna princip. Tekniken fungerar så att man trycker på en knapp för att stänga av exempelvis en lampa. Då lagras energi som används för nästa knapptryckning.

I miljöer som ständigt vibrerar så kan energi användas för att ge en kontinuerlig drift av en sensor, men tekniken är fortfarande relativt dyr.

Radiovågor – Vi har hört talas om att återvinna energin från radiovågor men i praktiken ger det mycket lite energi under de flesta realistiska scenarier. En typisk WiFi-router avger några mikrowatt per kvadratmeter – tillräckligt för en extremt snål sensor, men inte tillförlitligt nog för kontinuerlig drift.

Superkondensatorer – en perfekt buffert, mycket bättre än batterier – de laddas snabbt och tål många cykler. Men de kräver konstant energitillförsel och kan inte lagra energi över längre tid som batterier. Prestandan påverkas av temperatur och självurladdning, vilket även batterier gör. Medan batterier självurladdas är dock påverkan reversibel för superkondensatorer.. Men i kombination med andra alternativ som tar vara på ljus så kan det vara en riktigt intressant kombination.

En fördel med superkondensatorer är deras långa livslängd – i vissa fall över 500 000 laddcykler – vilket gör dem särskilt attraktiva i miljöer där underhåll är dyrt eller svårt att utföra. För applikationer där energiflödet är oregelbundet men återkommande, kan dessa utgöra en buffert som sensorn helt självförsörjande.

Att designa för energiskörd kräver mod

Så varför används inte energiskördning mer? Det enkla svaret är: kostnad, osäkerhet och komplexitet. För att lyckas krävs att man bygger system utifrån tillgänglig energi, inte önskad prestanda. Det innebär ofta att gå ifrån etablerade designmönster. Att byta ut ett primärbatteri innebär en teknisk och strategisk omställning: man behöver förstå hur mycket energi som faktiskt går att skörda, hur mycket sensorn förbrukar – och hur man lagrar energin. Dessutom blir hårdvaran dyrare, vilket är problematiskt på priskänsliga volymmarknader.

Regelverken bromsar laddbara enheter

Om man istället tittar på laddningsbara batterier är certifiering för enheter med laddningsbara batterier tuffare (jag pratar av egen erfarenhet här). När en IoT-enhet innehåller ett laddbart batteri – särskilt om den laddas via elnätet – skärps kraven. Enheten måste då uppfylla fler säkerhetsstandarder vilket innebär mer testning, mer dokumentation – och högre kostnader.

Batterier kan få flera liv – ibland

Under min research till denna artikel kom jag i kontakt med “second life batterier” som ett sätt att förlänga livslängden på litiumbatterier, exempelvis från eldrivna cyklar. Det finns bolag som visar att det går att ge litiumjonbatterier ett andra liv. När batterier ändå krävs bör vi se till att utnyttja varje cell maximalt. Utmaningen? Att varje cell måste analyseras i detalj.

Lösningen kan vara en automatiserad testutrustning som kan validera tusentals celler per dygn – en förutsättning för att hantera detta storskaligt. Men det finns system på plats där kunder abonnerar på batterikapacitet. När en modul presterar sämre än utlovat skickas en ny, medan den gamla går tillbaka in i testcykeln – ett cirkulärt kretslopp där varje cell kan få tre, fyra eller fler liv innan den slutligen återvinns. Andra experter varnar för att förlita sig på andrahandsbatterier utan djupgående analys och menar att även en analys kan gå fel. För IoT-enheter som kräver kontinuerlig och jämn kvalitet är detta inte ett alternativ, än. Det gör att användning av återbrukade batterier i känsliga applikationer inte är aktuellt just nu.

Vi måste våga bygga smartare IoT

Vi behöver både företag och kunder som går mot strömmen och kravställer energismarta system. Tyvärr väljer många ändå primärcellsbatterier, det känns som det "trygga" alternativet, både ur kostnads- och utvecklingsperspektiv – även om det i längden innebär högre miljökostnader och ökad komplexitet i underhåll. På längre sikt måste vi fråga oss om vi ens borde bygga batteriberoende IoT i stor skala när energy harvesting faktiskt finns som realistiskt alternativ?

Det handlar också om attityd, om modet att ifrågasätta normer. En stor utmaning ligger i att övertyga marknaden: hur säljer man en begagnad battericell med förtroende? Hur bygger man en enhet som återvinner ljus?