Schwungradspeicherung

Schwungradspeicherung
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 wird, und somit die Energie als Rotationsenergie gespeichert wird. Die Energie wird zurückgewonnen, indem der Rotor abgebremst wird.

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

Inhaltsverzeichnis

Funktionsprinzip

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 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

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

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

Praktische Technik

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)

Vor- und Nachteile

Zu den Vorteilen zählen die ultrakurzen Zugriffszeiten, die mögliche Tiefentladung, ein guter Wirkungsgrad als Kurzzeitspeicher (95%), geringe Betriebskosten und die gute Umweltverträglichkeit. Der große Nachteil ist die hohe Selbstentladung (50% in ca. 1 Stunde), die durch die Luftreibung und die Verluste des Lagers begründet ist. Verbesserungen stellen eine magnetische Lagerung und den Verbau des Schwungrades in einem Vakuumtank dar, um diese Verluste zu minimieren.

Ausblick

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

Weblinks

Literatur

Einzelnachweise

  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

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