Schwungradspeicherung

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NASA G2-Schwungrad

Schwungradspeicherung ist eine Methode der mechanischen Energiespeicherung, bei der ein Schwungrad (in diesem Zusammenhang auch „Rotor“ genannt) auf eine sehr hohe Drehzahl beschleunigt und somit die Energie als Rotationsenergie gespeichert wird. Die Energie wird zurückgewonnen, indem der Rotor induktiv an einen elektrischen Generator gekoppelt, dadurch abgebremst und seine Drehzahl reduziert wird.

Benutzt werden sie meist zur Ausgleichung von Spitzenlasten, Glätten von Leistungsspitzen, Rekuperation bei Elektrofahrzeugen und auch als USV-Anlagen in Krankenhäusern und Industrieanlagen.

Funktionsprinzip[Bearbeiten]

Ein typisches System besteht aus einem Schwungrad (Rotor), das mit einer Elektromotor-Generator-Kombination verbunden ist.

Um den Speicher aufzuladen wird das Schwungrad in Bewegung gesetzt, etwa mittels eines Elektromotors. Eine hohe Drehzahl entspricht dabei einer hohen Rotationsenergie. Mittels eines angeschlossenen Generators kann diese Energie bei Bedarf wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. Das Schwungrad gibt dabei seine kinetische Energie an den Motor ab. Die durch die Motordrehung induzierte Spannung stellt die Rückgewinnung der Energie dar.

Art der gespeicherten Energie[Bearbeiten]

Massenträgheitsmoment : J_m = \int_m r^2\,\mathrm dm
Winkelgeschwindigkeit :  \omega_m = 2 \pi \cdot n_m
Gespeicherte Rotationsenergie :  W_{\text{kin}} = \frac{1}{2}J_m\omega^2

wobei m für den rotierenden Körper bzw. im Integral für sein Volumen steht und n_m für die Drehzahl dieses Körpers.

Praktische Technik[Bearbeiten]

Die meisten Schwungradspeicherungssysteme arbeiten mit Elektrizität, um den Rotor zu beschleunigen und abzubremsen. Es sind aber auch Systeme in Entwicklung, die direkt mechanische Energie verwenden.[1]

Die Rotoren fortgeschrittener Systeme werden aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen gefertigt und rotieren mit 20.000 bis über 50.000 Umdrehungen pro Minute.[2] Um die Reibungsverluste gering zu halten, werden luftleere Gehäuse und Magnetlager verwendet. Solche Systeme können in wenigen Sekunden bis Minuten voll aufgeladen werden, im Unterschied zu den Stunden, die für das Aufladen einiger Akkumulatortypen benötigt werden, auch wenn es inzwischen Akkumulatoren gibt, die ebenfalls in wenigen Minuten aufgeladen werden können. [2]

Manche Notstromaggregate höherer Leistung enthalten ebenfalls ein Schwungrad, das durch einen Elektromotor ständig in Drehung gehalten wird. Bei Stromausfall wird ein vorgewärmter Dieselmotor über eine elektromechanische Kupplung aus dem Stand rasch in Drehung versetzt. Das Schwungrad liefert zuverlässig die Energie zum Anlassen des Dieselmotors und zur Überbrückung der Zeit, bis der Motor volle Leistung abgeben kann.

In der Formel 1 mit FIA Regeln werden Drehmassenspeicher beim Bremsen aufgeladen, und beim Beschleunigen wieder verbraucht (KERS), allerdings hat bisher (2012) noch kein Team ein Schwungrad-KERS an einem Rennwochenende eingesetzt; bisher kamen ausschließlich Akku-KER-Systeme zum Einsatz. Eine (elektro-)mechanische Lösung findet sich dagegen im Porsche 911 GT3 R Hybrid und im Audi R18 e-tron quattro.

Vor- und Nachteile[Bearbeiten]

Zu den Vorteilen zählen die ultrakurzen Zugriffszeiten, die mögliche Tiefentladung, ein guter Wirkungsgrad als Kurzzeitspeicher (95 %), geringe Betriebskosten und die gute Umweltverträglichkeit.

Ein großer Nachteil ist die hohe Selbstentladung (ca. 50 % pro Stunde), die durch Luftreibung und Verluste des Lagers entstehen kann. Magnetische Lagerung und der Verbau des Schwungrades in einem Vakuumtank können diese Verluste drastisch minimieren (auf 0,1 % bis 10 % bei Schwungrädern aus aufgewickeltem CFK und 80.000 Umdrehungen pro Minute). Ein weiterer Nachteil ist das hohe Gewicht der Schwungradspeicher älterer Bauart aus Stahl. Für die Speicherung von 10 kWh wurden ca. 1,6 Tonnen Schwungradmasse benötigt.

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Moderne Schwungräder kommen auf Grund der leichteren Materialien und einer wesentlich höheren Umdrehungsgeschwindigkeit mit weit weniger Masse aus. Für 10 kWh wird nur noch ca. 160 kg Schwungradmasse benötigt.

Nachteilig kann sich auch, gerade beim Einsatz in bewegten Objekten (Fahrzeuge etc.), die Tatsache auswirken, dass schon kleine Änderungen der Drehachse enorme gyroskopische Kräfte hervorrufen. Diese müssen einerseits aufgefangen werden, andererseits ändern sie das Fahrzeugverhalten z.B. bei Kurvenfahrten. Anzumerken ist aber auch das (ggf. positive) stabilisierende Verhalten eines solchen Speichers.

Auch sind Sicherungsmaßnahmen gegen ein Versagen des Rotors nötig, welche sich selbst negativ auf das Gewichtsverhältnis auswirken können.

Ausblick[Bearbeiten]

Um den Wirkungsgrad des Speichers zu erhöhen, werden neue Materialien (hauptsächlich neue Verbundwerkstoffe und neue Keramiken) entwickelt, die Lagerverluste um den Faktor 5 bis ca. 20 verringern sollen.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Torotrak Toroidal variable drive CVT, retrieved June 7, 2007.
  2. a b Castelvecchi, D. (2007). Spinning into control. Science News, vol. 171, pp. 312-313