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Kompakter Energiespeicher für stromarme Regionen

Für das Fintech-Unternehmen MPower Venture AG entwickelten ZHAW-Forschende einen tragbaren Stromspeicher, der sich durch eine angeschlossene Photovoltaik-Anlage unabhängig von einem vorhandenen Stromnetz aufladen lässt. Das Gerät soll vor allem in Regionen zum Einsatz kommen, in denen keine zuverlässige Stromversorgung vorhanden ist.

Das mittlere Modell eines tragbaren Energiespeichers von MPower. Es hat ungefähr die Grösse einer kleinen Reisetasche und bietet eine Leistungsabgabe von bis zu 300 Watt. Der von den ZHAW-Forschenden entwickelte tragbare Speicher bietet eine Leistungsabgabe von bis zu 1000 Watt.

Der Entwicklung des Batteriespeichers ging zunächst eine Vorstudie für das Zürcher Fintech Start-up MPower Venture AG voraus. Dafür hat das ZHAW Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) tragbare Energiespeicher miteinander verglichen und Vorschläge entwickelt, wie ein optimaler Speicher auszusehen hat. «Auf den gewonnenen Erkenntnissen aufbauend, konnten wir mit MPower ein Innosuisse-Projekt platzieren, in dem die Ergebnisse der Vorstudie in einem kompakten Energiespeicher umgesetzt werden konnten», erklärt Andreas Müller, Projektleiter und wissenschaftlicher Mitarbeiter der Fachgruppe Elektrische Speicher am IEFE.

Entscheidende Vorteile im Vergleich zu anderen Geräten

In Zusammenarbeit mit dem ZHAW Institute of Embedded Systems (InES) und der Fachhochschule Südschweiz (SUPSI) entwickelten die Forschenden daraufhin im Rahmen eines Innosuisse-Projekts einen tragbaren Speicher. «Die Idee dazu war, dass der Speicher mithilfe einer angeschlossenen Photovoltaik-Anlage an einem sonnigen Tag aufgeladen werden kann, um die Energie dann nachts oder wenn keine andere Energiequelle zur Verfügung steht zu nutzen», fasst Andreas Müller zusammen. Hauptsächlich sei der Energiespeicher von MPower für den Verkauf in afrikanischen Ländern konzipiert. Dort vertreibt MPower bereits diverse tragbare Speicher, jedoch hat das von der ZHAW entwickelte Gerät einige hervorstechende Neuerungen: «Eine Innovation war, dass unser Gerät die Möglichkeit zum Fernzugriff bietet», so Andreas Müller. Durch eine eingebaute Kommunikationseinheit lassen sich so per Fernzugriff Wartungen und Systemupdates durchführen. Zudem ist das Gerät angesichts des Stromspeichers recht kompakt, etwa vergleichbar mit einer kleinen Reisetasche. «Beim Design wurde auf eine kompakte Realisierung geachtet, die in ein bereits bestehendes Produkt des Kunden passt. Darum haben wir uns für ein Niederspannungssystem mit hohem Stromrating entschieden», erklärt der ZHAW-Wissenschaftler.

Eine weitere Innovation, die in dem Speicher steckt, ist ein integrierter Predictive-Maintenance Algorithmus. «Dieser Algorithmus kann die Gesundheitsindikatoren der einzelnen Batterien messen und dadurch im Voraus erkennen, ob Teile des Batteriepakets in naher Zukunft ausfallen», erläutert Andreas Müller die Funktion. Wenn das der Fall sein sollte, bekommt die Verkäufer:in des Speichers eine Nachricht und kann für die Dauer der Reparatur einen Geräte-Tausch anbieten. MPower vertreibt drei unterschiedliche Modelle seiner tragbaren Energiespeicher, das kleinste, Variante S bietet 187 Wh Energie und einer Leistungsabgabe bis zu 300 Watt, das Mittlere (im Bild) kommt auf 452 Wh und kommt auf bis zu 300 Watt. Das grösste Modell gibt bis zu 1000 Watt Leistung ab bei 1500 Wh Energie. Das vom IEFE entwickelte Gerät ist ebenfalls für eine Leistungsabgabe von 1000 Watt konzipiert.

Komplexe Herausforderungen für die Forschenden

Die grösste nicht-technische Herausforderung bei der Entwicklung, erinnert sich Andreas Müller, war der noch immer anhaltende Materialmangel, der seit der Corona-Pandemie herrscht. Auf der technischen Seite beschäftigte die Forschenden vor allem der Aufbau des Speichers. Da von MPower ein Low-Cost-Produkt spezifiziert wurde, entschied sich das ZHAW-Team günstige Batterien zu verwenden und realisierte somit ein Batteriepaket, das vergleichsweise hohe Ströme aus dem Batteriepaket benötigt. Eine Begleiterscheinung dieses Designs ist jedoch, dass dabei eine grosse Menge Wärme freigesetzt wird, die abgeführt werden muss. «Die Herausforderung bestand nun darin, den Speicher so zu designen, dass die Wärme an der gesamten Elektronik vorbei gut abgeführt wird.» Zudem war es nicht leicht, passenden Bauteile zu finden angesichts der Grösse des Speichers, einige Teiles musste sogar eigens dafür hergestellt werden. Die Herstellungskosten schätzt Andreas Müller auf ungefähr 1’000 Franken. Die Markteinführung ist für 2024 geplant.