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Der Schwungradspeicher

 

Funktionsprinzip

Kernstück dieses Stromspeicherprinzips ist das Schwungrad an sich (s. Abb.1). Bei der Stromspeicherung wird das Schwungrad auf eine sehr hohe Drehzahl beschleunigt und Energie in Form von Rotationsenergie gespeichert. Die Energierückgewinnung erfolgt mit Abbremsung des Rades.

Abbildung 1, Aufbau eines Schwungrades [1]

Das Schwungrad kann je nach Bedarf verschiedene Formen haben und aus verschiedenen Materialien bestehen. Es ist mechanisch an eine elektrische Maschine gekoppelt (s. Abb.2). Der rotierende Teil der Anlage ist über die Lagerung mit dem Schwungradgehäuse verbunden. Das Schwungradgehäuse wird mit Hilfe einer Vakuumpumpe evakuiert, um Luftreibungsverluste zu verringern und die Effizienz zu erhöhen. Falls der Schwungradspeicher an ein Drehstromnetz angeschlossen wird, muss der in der elektrischen Maschine erzeugte Strom variabler Frequenz mit Hilfe des Frequenzumrichters in einen Strom mit der Netzfrequenz 50 Hz umgewandelt werden. Dies kann auch durch ein stufenlos verstellbares mechanisches Getriebe erreicht werden, das zwischen Schwungrad und elektrischer Maschine eingebaut ist. In einem Mikroprozessor werden die erfassten Betriebsdaten verarbeitet und Signale für die Regelung der Anlage errechnet [nach 1].

 

Abbildung 2, Prinzip der Stromspeicherung mittels Schwungradspeicher [1]

 

Energiedichte

Die Energie, die in einer Rotation einer Schwungmasse gespeichert wird, setzt sich aus dem Massenträgheitsmoment und der Winkelgeschwindigkeit zusammen (siehe Formel 1).

 

Formel 1, Rotationsenergie

 

J: Massenträgheitsmoment [kg*m²]

w: Rotationsgeschwindigkeit [1/s]

 

Das Massenträgheitsmoment wird durch die Materialdichte und die Form des Schwungrades bestimmt. Wie in Diagramm 1 deutlich wird, ist der Energieinhalt eines Schwungrades stark von dessen Form abhängig. Stahl hat bei gleicher Drehzahl und unterschiedlichen Bauformen sehr unterschiedliche Energieinhalte. Der Energieinhalt wird hierbei stets durch eine Maximaldrehzahl beschränkt, bei der die zulässige Materialbelastung erreicht ist.

 

Diagramm 1, Vergleich von verschiedenen Materialen [nach 1]

 

Die Energiedichte ist also stark vom verwendeten Material des Schwungrades abhängig. Eine allgemein gültige Aussage über die Energiedichte kann daher nicht getroffen werden.

 

Material

Lager

Drehzahl

in [1/min]

Energiedichte, massebezogen

in [Wh/kg]

Energiedichte, volumetrisch

in [kWh/m³]

Stahl

mechanisch

5000

5

20

Kohlefaser

magnetisch, Vakuum

50000

100

80

 

Diagramm 2, Beispiele für die Energiedichte von Schwungradspeichern [nach 2]

Der Wirkungsgrad von Schwungradspeichern liegt im Mittel bei etwa 90% [2].

 

Machbarkeit

Schwungradspeicher haben im Vergleich zu anderen Speichersystemen eine hohe Selbstentladung. Durch moderne Bauweisen, wie beispielsweise die magnetische Lagerung des Schwungrades im luftleeren Raum, konnte die Selbstentladung drastisch minimiert werden. Diese liegt jedoch immer noch weit über den Entladungsverlusten anderer Systeme. Schwungradspeicher sind in diesem Zusammenhang vorwiegend als Kurzzeitspeicher geeignet. Langzeitspeicher sind mit dem heutigen Stand der Technik denkbar, aber nicht zweckmäßig. Schwungradspeicher können nahezu überall errichtet werden, da keine Anforderungen an den Standort, das Klima und die Temperatur gestellt werden.

 

Ökonomie und Invest

Die Investitionskosten sind bauartabhängig. Für ältere Bauformen (Stahl, einfache mechanische Lagerung) belaufen sich die spezifischen Systemkosten auf etwa 3000 €/kWh. Neuere Anlagen (Kohlefaser, moderne Lagerung) sind dagegen mit 5000 €/kWh teurer. Ein Schwungradspeicher, der für die Überbrückung von Spannungsspitzen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung in der Fahrzeugtechnik und ähnlichen Anwendungen für Kurzzeitspeicher verwendet wird (dabei werden beispielsweise 10 Minuten für Be- und Entladen benötigt), ist als ökonomisch sinnvoll anzusehen. Die Investitionskosten für Technologien für vergleichbare Anwendungsgebiete, wie beispielsweise Kondensatoren, sind merklich höher. Eine Langzeitspeicherung dürfte sich als unwirtschaftlich erweisen.

 

Marktsituation

Die Technik für den Bau von Schwungradspeichern ist in unserem Land ausreichend vorhanden. Sie wird von Herstellern bereitgestellt und die Realisierung einer derartigen Anlage dürfte unproblematisch sein. Als Belege hierfür dienen beispielsweise unten aufgeführte Anlagenbeispiele.

 

Ökologie

Ein Schwungradspeicher ist ökologisch unbedenklich. 

 

Anlagenbeispiele

Alstom Coradia – Leichter innovativer Regionalexpress (LIREX)

Abbildung 3, Alstom Coradia LIREX [3]

Zur Verbesserung der Energiebilanz wurde die Ausrüstung mit einem Schwungradspeicher vor-gesehen, um beim Bremsen frei werdende Energie zwischenspeichern zu können. Für den projektierten Betrieb als elektrisches Fahrzeug wäre auch die Bremsstromrückspeisung möglich gewesen.

 

Porsche 911 GT3 R Hybrid

 Abbildung 4, Porsche GT3 Hybrid [4]

In der Hybridvariante des Porsche GT3 wurde ein ölgekühlter Schwungradspeicher verbaut, der mit einer maximalen Drehzahl von 40.000 Umdrehungen pro Minute eine nutzbare Leistung von 0,2 kWh zur Verfügung stellt [nach 4].

 

Schwungradgenerator Max-Planck-Institut in München

Abbildung 5, Schwungradgenerator Max-Planck-Institut in München [5]

Die Energie für das Großexperiment ASDEX Upgrade in Garching wird durch große Schwungradgeneratoren bereitgestellt. Der größte Generator, mit einer 230 Tonnen schweren Schwungmasse, liefert für etwa zehn Sekunden eine Leistung von 150 Megawatt [nach 5].

 

Verbesserungspotential

Die Defizite bei dieser Art der Stromspeicherung liegen vor allem im Material. Um den Wirkungsgrad von Schwungradspeichern weiter zu steigern und derartige Systeme preiswerter zu gestalten, sollten neue Verbundwerkstoffe und Keramiken erforscht werden. Materialdichte und Belastbarkeit sind hier die maßgebenden Größen.

 

 

 

Quellenangaben:

[1]     http://www.familie-troessenreuther.de/daten/Diplomarbeit_Schwungradspeicher_FStroess_1996.pdf

         (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

[2]     http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/DPG2010-AKE_Bonn/Buch/DPG2010_AKE4.3_Rzepka.pdf

         (abgerufen am 02.07.2012, 17:00 Uhr)

[3]     http://www.alstom.com/transport/products-and-services/rolling-stock/coradia-regional-trains/

        (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

[4]     http://www.porsche.com/germany/sportandevents/motorsport/racingcars/911gt3r-hybrid/

        (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

[5]      http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/broschuere_de.pdf

        (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

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