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Sun-E: E-Bike ohne Stromnetz laden

Von: Christof Biba  (SPF News-Artikel vom 30.09.2019)

Im Rahmen von Bachelorarbeiten im Studiengang EEU - Erneuerbare Energien und Umwelttechnik – an der HSR, wurde das Design und die Alltagstauglichkeit einer autarken Stromversorgungsstation entwickelt und untersucht. Ergebnis ist ein Prototyp einer modularen Solar-Säule, die unabhängig von der öffentlichen Stromversorgung elektrische Energie zur Verfügung stellt; z.B. um E-Bikes zu laden. Seit 2019 wird zusammen mit Partnern an der Nullserie gearbeitet, die im Mountainbike-Gebiet Lenzerheide oder direkt an der HSR aufgestellt werden soll.
 

1 Ausgangssituation

Elektrisch versorgte Geräte werden in immer mehr Bereichen des alltäglichen Lebens eingesetzt. Mobiltelefone, Laptops, Werkzeuge und E-Bikes sind Beispiele für diese Entwicklung. Momentan verbreiten sich insbesondere E-Bikes rasant und werden sowohl beruflich als auch in der Freizeit intensiv genutzt. In Gegenden ohne öffentlichem Stromnetz kann es zu Engpässen kommen, wenn die Speicherkapazität in den mobilen Geräten erschöpft ist. Um diesem Problem entgegenzuwirken, sollte eine auf Solarstrom basierte Einheit entwickelt werden, die an abseits gelegen Standorten elektrische Leistung und Energie zur Verfügung stellen und durch den modularen Aufbau an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden kann.

2 Entwicklung eines Prototyps

Ende 2017 wurde eine erste Bachelorarbeit durchgeführt mit dem Titel «Konzeption einer autarken E-Bike Ladestation mit integralen, frei gestaltbaren Solarmodulen». Zum Aufbau eines Prototyps wurden vorhandene Komponenten verwendet. Lediglich für die Gehäusehülle wurden neue Solarlaminate von Meyer Burger zur Verfügung gestellt. Das vom Studierenden gewählte Design – bestehend aus zwei Solar-Würfeln – stellte das modulare Grundkonzept dar. Auch mit der visuellen Erscheinung des Laminates wurde experimentiert. Dabei konnten Applikationen mit Schriften und Logos realisiert werden. Für das autarke Versorgungssystem standen gebrauchte Einzelteile zur Verfügung: ein 12 V Blei-Akku mit ursprünglich 490 AH (Firma Sonnenschein), ein MPP-Laderegler (Firma Morningstar) und ein 3 kW Wechselrichter 12 VDC/230 VAC (Firma Victron). Die acht Laminate von Meyer Burger hatten eine maximale Gesamtleistung bei sonnigem Wetter von 800 W.

3 Tests am Prototyp

In einer darauffolgenden Bachelorarbeit im Jahr 2018 wurden Messreihen am Prototyp durchgeführt und die Alltagstauglichkeit untersucht. Die Ergebnisse wurden zudem mit den Resultaten einer Simulation mit der Software «Polysun» abgestimmt, um spätere Dimensionierungen zu vereinfachen.

Die aus Solarzellen bestehende Hülle der Ladestation produziert an einem schönen Maitag etwa 2000 Wh. Damit wird entweder der zentrale Blei-Akku geladen oder direkt die Lithiumionen-Akkus eines E-Bikes. Der gebrauchte Blei-Akku besitzt eine Speicherkapazität von ungefähr 2500 Wh und ein typischer E-Bike-Akku auf Lithium-Ionen Basis etwa 400 Wh. Die Detailmessungen haben ergeben, dass für die Ladung eines E-Bike-Akkus der kombinierte Wirkungsgrad des Ladegerätes und des Wechselrichters ca. 75 % beträgt. Die verwendeten Module weisen aufgrund des individuellen Aufdruckes einen geringen Verlust von etwa 10 % auf.

4 Nächster Schritt: Produktion einer Null-Serie

Die aktuellen Trends der Elektromobilität und Photovoltaik in der Gebäudehülle sind in der E-Bike Ladestation vereint. Seit 2019 wird an der Weiterentwicklung und einer Nullserie von drei Ladestationen gearbeitet. Diese sollen in der Praxis über einen längeren Zeitraum genutzt werden, um die Alltagstauglichkeit zu verifizieren. Dazu wurden neue Partner gefunden, mit denen die HSR an der Umsetzung der Idee arbeitet. Zu nennen sind hier vor allem die Firma Ecolite (nahe Rapperswil, Fassadensysteme) und die Firma Sunage (im Tessin, Modulhersteller). Ein möglicher Einsatz der Nullserie ist zum Beispiel im Mountainbike-Gebiet Lenzerheide oder direkt an der HSR geplant.

Technische Daten

  • Leistung eines PV Moduls: 64 Wp (Monokristallin), Einsatz je Würfel 4 Module.
  • Reduktion Modulwirkungsgrad durch Aufdruck: 10 – 20 %
  • Akkutyp / Akkuspannung: Lithium Ionen (LiFePO4) / 24 VDC
  • Akkukapazität @ 25 °C: 50 Ah – 200 Ah (konfigurierbar)
  • Elektrische Anschlüsse: 2 x 230 VAC (1.2 kW)

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