Update des EnergyHubs - Mehr Daten für Lehre und Forschung

Der EnergyHub ist eine netzungebundene Photovoltaik-Ladestation für Light Electric Vehicles (LEVs). Mit dieser Off Grid Ladestation lassen sich Batterien von E-Mopeds, E-Scootern, E-Fahrrädern und E-Lastenfahrrädern mit regenerativen Strom beladen. Der EnergyHub wird sowohl als Lehrprojekt als auch für die Forschung in einem Reallabor in den vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekten Smart City Urban Mobility (SCiSusMob) 1 und SCiSisMob 2 zur Gewinnung von Daten und Erkenntnissen betrieben. Des Weiteren ist der EnergyHub ein wichtiger Bestandteil der Projektstudie BObby Sharing, da er es ermöglicht autonom erneuerbare Energie am Standort der Hochschule Bochum zu erzeugen und die im Projekt eingebundenen elektrifizierten Fahrzeuge aufzuladen. Im Sinne unseres Ziels der kontinuierlichen Verbesserung von Forschung und Lehre, arbeiten wir derzeit daran aus der Station noch mehr Potenzial rauszuholen.

Der EnergyHub wurde im September 2020 aufgebaut und besteht aus zehn Photovoltaikmodulen und drei Ladeschränken. Die Photovoltaikmodule kommen ursprünglich aus der Industrie, wo sie aufgrund nachlassender Leistungen aussortiert wurden. Häufig sind diese Module jedoch noch sehr gut nutzbar. Nach einer Prüfung eines externen Unternehmens kommen diese am EnergyHub wieder zum Einsatz und haben mit einer Leistung von jeweils 250 Watt genug Power für die Ladung unserer Light Electric Vehicle. Damit erzielt der EnergyHub eine Gesamtleistung von 2.500 Watt. Durch die Wiederaufbereitung bereits gebrauchter Photovoltaikmodule wird die Lebensdauer verlängert, wodurch ein geringerer Energie- und Materialaufwand entsteht und die Ressourceneffizienz gesteigert wird. Mehr Infos zur Ökobilanz (LCA) erhaltet ihr hier. Die drei Ladeschränke haben insgesamt eine Batteriekapazität von 7,2 Kilowatt und jeder Schrank ist mit jeweils zwei Batterien, einem Solarlader, einem Strominverter und einer Kontrolleinheit ausgestattet. An klaren Tagen im Sommer werden die Batterien innerhalb eines Tages vollständig aufgeladen. In der Praxis bedeutet das, dass mit der vorhandenen Batteriekapazität drei E-Mopeds mit jeweils 2 Batterien vollständig aufladen können. Ein vollaufgeladenes E-Moped kann damit im Durchschnitt 80 Kilometer weit fahren. Genaue Distanzen sind jedoch immer abhängig von dem Fahrzeug- und Batterietyp sowie der Temperatur. Die Kapazität einer Batterie sinkt bei zu kalten oder zu heißen Temperaturen: die optimalen Betriebstemperaturen für Lithium-Ionen-Batterien liegen näherungsweise auch bei den Temperaturen, bei denen wir Menschen uns wohl fühlen, also um die 20 Grad Celsius. Aus diesem Grund wird der Betrieb bei BObby Sharing, wie auch bei anderen Anbietern, eingestellt, sobald die Temperaturen unter 4 Grad Celsius fallen, um die Batterien zu schonen. Die Photovoltaikmodule hingegen können das ganze Jahr betrieben werden und funktionieren auch noch bei kalten Temperaturen, solange genug Sonneneinstrahlung vorhanden ist. Die Ladung der E-Bikes, E-Scooter, E-Lastenfahrräder oder E-Mopeds funktioniert ganz einfach: Hinfahren, den Schrank per Zugangskarte öffnen und Stecker einstecken – schon lädt das LEV und man kann später wiederkommen, um mit dem aufgeladenen Fahrzeug weiterfahren. Optimal für die Batterien ist es, wenn die Ladung vorgenommen wird bevor der Akku unter 20 Prozent fällt, denn die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie ist länger, wenn eine Aufladung stets zwischen ca. 20 und 80 Prozent liegt, wobei die Unterschreitung von 20 Prozent schwerwiegender ist.

Um den EnergyHub noch effizienter nutzen zu können, werden derzeit Um- und Ausbauten vorgenommen. Eine Neuerung betrifft die in den Ladeschränken eingebaute Kontrolleinheit, diese wurde bisher von einem externen Unternehmen betrieben und es war lediglich möglich Daten eingeschränkt zu erfassen und auszuwerten. Zum einen konnten nur Daten von einzelnen Schränken eingesehen werden und darüber hinaus wurden manche Daten, wie zum Beispiel die Batteriespannung und -stromstärke des Solarladers, gar nicht erfasst. Um weitere Forschung und Optimierungen an den Photovoltaikmodulen und den Ladeschränken vornehmen zu können, wurde eine eigene Kontrolleinheit installiert, um hierdurch die empfangenen Daten auf einem eigenen Server speichern zu können. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit die benötigten Daten selbst zu kontrollieren, abzufragen und daraus umfassende Auswertungen in Form von Dashboards zu erstellen, die wiederum in Lehre und Forschung genutzt werden können. Auch wird eine Liveübertragung ermöglicht, welche bei auftretenden Problemen Nachrichten rausschickt, damit diese schnell behoben werden können. Dadurch können wir die Lebensdauer und Qualität der Einzelteile verbessern.

Ein weiterer zentraler Aspekt der eigenen Datensammlung und -auswertung ist die effiziente Nutzung eines Lastmanagement, welches den Stromverbrauch aktiv steuert. Mittels des Lastmanagements kann beispielsweise gesteuert werden, wann Strom zur Ladung abgegeben werden darf und wann nicht. Dies ermöglicht die Gewährleistung zusätzlicher Sicherheit und eine lange Lebensdauer der Batterien. Konkrete Beispiele dafür sind, dass der Strom automatisch abgestellt wird, wenn ein Akku vollgeladen ist oder dass nicht geladen werden darf, wenn die Außentemperatur für eine sichere Nutzung zu heiß oder zu kalt ist. Die Sammlung der Daten bildet, neben den erläuterten Vorteilen für den aktuellen Gebrauch, auch die Grundlage für zukünftige Forschung. Das langfristige Ziel der eigenen Datenerfassung ist es mit der vorhandenen Batterie- und Ladekapazität vorausschauend zu arbeiten. Das bedeutet, dass externe Faktoren wie die Wettervorhersage oder die Wochentage in den Steuerungsprozess miteinbezogen werden sollen. Hierzu zählt das Operieren mit optimaler Ladekapazität zwischen 20 und 80 Prozent, welche auch für die Batterien im EnergyHub gilt, welche die Solarenergie speichern. Außerdem benötigen die Grundfunktionen des Ladeschranks ebenfalls Strom, weshalb die Batterie nicht zu leerlaufen sollte. Das bedeutet, das jedes Mal, wenn ein Fahrzeug geladen werden soll, der Ladeschrank entscheiden muss, ob noch genug Strom vorhanden ist. Um eine fundierte und vorausschauende Entscheidung zu treffen, könnte sich die Kontrolleinheit nun aus Daten aus dem Wetterbericht und Kalender bedienen und nach zuvor eingegeben Entscheidungsmustern eine multikriteriell begründete Entscheidung treffen.

Hierzu ein Beispiel: Wenn an einem Freitagabend ein LEV aufgeladen werden soll, aber nur noch 30 Prozent Batteriekapazität im EnergyHub vorhanden sind, kann sich das System nun anschauen, ob am Samstag viel Sonne zur erneuten Ladung vorhanden ist. Wenn das der Fall ist, kann das System trotz niedrigen Ladestands den Strom zur Aufladung freigeben, denn dem System wurde ebenfalls mitgeteilt, dass an der Hochschule am Samstag weniger Betrieb und somit weniger Nachfrage nach erneutem Aufladen besteht. Weitere denkbare Szenarien und Entscheidungskriterien sind, wie weit die anderen LEVs entfernt sind und wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass weitere LEVs geladen werden sollen. Grundsätzlich sind den Szenarien und den möglichen Entscheidungskriterien keine Grenzen gesetzt. Durch die Installation der eigenen Kontrolleinheit können in Zukunft interne Daten, wie der State of Charge oder der Energiefluss, externe Daten über eine API-Schnittstelle, wie der erwähnte Wetterbericht und Kalenderdaten, oder auch Nutzungsdaten, Nutzungsprognosen sowie Daten zum Systemzustand abgerufen, zusammengetragen und ausgewertet werden.

Zeitgleich zum Einbau der neuen Kontrolleinheiten werden die Ladeschränke umgebaut. Bisher war der Zugang zum Inneren der Ladeschränke lediglich durch eine festgeschraubte Platte möglich, was insbesondere die Wartung sehr umständlich gestaltet hat. Deshalb erhält nun jeder Ladeschrank eine Tür inklusive Sicherheitsschloss. Durch den Einbau der Türen wird der Zugang zu der Kontrolleinheit, den Batterien, dem Solarlader und dem Strominverter für Zugangsberichtigte deutlich erleichtert. Wartungen und Reparaturen können einfacher und schneller durchgeführt werden und der Aufbau der Ladeschränken ist sicherer und langlebiger.

Neben der aktuellen Entwicklung am EnergyHub stehen weitere Projekte für die Zukunft an. Bereits jetzt sind die Photovoltaikanlagen und die Ladeschränke Teil des BO Walks, fungieren als Lehrobjekt für Nachhaltigkeit und bieten zudem weiterführende Informationen zur Projektstudie BObby Sharing. Um das Erlebnis noch anschaulicher und attraktiver zu machen, ist für die Zukunft die Installation eines interaktiven Tablets geplant, um Besuchern Informationen bereitzustellen. Dafür sollen ebenfalls Dashboards aus aktuellen Daten aus der Kontrolleinheit zur Verfügung gestellt werden. Mögliche Informationen können z.B. der aktuelle Status der Systeme sein oder auch wie viel Ladung bei dem aktuellen Wetter in den nächsten 24 Stunden möglich sind. Das Dashboard soll interaktiv aufgebaut sein und sowohl auf dem Tablet als auch auf der Website von BObby Sharing verfügbar sein. Ein weiteres Projekt sind die Erweiterung um neue Ladeformen. Bisher ist die Ladung am EnergyHub kabelgebunden, geplant ist jedoch auch eine Erweiterung mit induktiven – also kabellosen -Lademöglichkeiten.

Haben wir dein Interesse geweckt und du möchtest am EnergyHub mitarbeiten? Wir sind immer auf der Suche nach neuen und motivierten Studierenden! Du kannst uns in verschiedenen Formen unterstützen, sei es als Teil einer Projektstudie, deiner Praxisphase, eines Praktikums oder für deine Bachelor- oder Masterarbeit.

Jaron Schünemann (Projektleitung BObby Sharing, SCiSusMob 2)

E-Mail: jaron.schuenemann[at]hs-bochum.de

Raum: D3-04