Wie Schwungrad-Energiespeicher (kinetische Energiespeicher) angeordnet sind und funktionieren

FES ist die Abkürzung für Flywheel Energy Storage und bedeutet Energiespeicherung mithilfe eines Schwungrads. Das bedeutet, dass mechanische Energie akkumuliert und in kinetischer Form gespeichert wird, wenn sich ein massives Rad mit hoher Geschwindigkeit dreht.

Die so angesammelte mechanische Energie kann später in Elektrizität umgewandelt werden, wofür das Schwungradsystem mit einer umkehrbaren elektrischen Maschine kombiniert wird, die sowohl im Motor- als auch im Generatormodus arbeiten kann.

Wenn Energie gespeichert werden muss, dient die elektrische Maschine als Motor und dreht das Schwungrad auf die erforderliche Winkelgeschwindigkeit, während sie elektrische Energie von einer externen Quelle verbraucht und dabei elektrische Energie in mechanische (kinetische) Energie umwandelt. Wenn die gespeicherte Energie an die Last übertragen werden muss, geht die elektrische Maschine in den Generatormodus und mechanische Energie wird freigesetzt, wenn das Schwungrad abbremst.

Die fortschrittlichsten Energiespeichersysteme auf Schwungradbasis weisen eine relativ hohe Leistungsdichte auf und können mit herkömmlichen Energiespeichersystemen konkurrieren.

Als besonders vielversprechend gelten dabei kinetische Batterieanlagen auf Basis von Superschwungrädern, bei denen der rotierende Körper aus hochfestem Graphenband besteht. Solche Speicher können bis zu 1200 W * h (4,4 MJ!) Energie pro 1 KILOGRAMM Masse speichern.

Jüngste Entwicklungen auf dem Gebiet der Superschwungräder haben es den Entwicklern bereits ermöglicht, die Idee des Einsatzes monolithischer Antriebe zugunsten weniger gefährlicher Riemensysteme aufzugeben.

Tatsache ist, dass monolithische Systeme im Notfall gefährlich waren und weniger Energie speichern konnten. Beim Brechen zerfällt das Band nicht in große Bruchstücke, sondern bricht nur teilweise; In diesem Fall stoppen die einzelnen Teile des Riemens das Schwungrad durch Reiben an der Innenfläche des Gehäuses und verhindern dessen weitere Zerstörung.

Die hohe spezifische Energieintensität von Superschwungrädern aus Wickelband oder Interferenzfaser wird durch eine Reihe von Faktoren erreicht.

Erstens arbeitet das Schwungrad im Vakuum, was die Reibung im Vergleich zu Luft erheblich reduziert. Hierzu muss das Vakuum im Gehäuse durch ein Vakuumerzeugungs- und -erhaltungssystem ständig aufrechterhalten werden.

Zweitens muss das System in der Lage sein, den rotierenden Körper automatisch auszubalancieren. Durch besondere technische Maßnahmen werden Vibrationen und Kreiselschwingungen reduziert. Kurz gesagt, Schwungradsysteme sind aus konstruktiver Sicht sehr anspruchsvoll, weshalb ihre Entwicklung ein komplexer technischer Prozess ist.

Als Lager scheinen sie besser geeignet zu sein magnetische (einschließlich supraleitende) Suspensionen… Allerdings mussten die Ingenieure auf Tieftemperatur-Supraleiter in Suspensionen verzichten, da diese viel Energie benötigen. Für mittlere Drehzahlen sind Hybridwälzlager mit Keramikkörper deutlich besser geeignet. Bei Hochgeschwindigkeitsschwungrädern hat sich die Verwendung von Hochtemperatursupraleitern in Aufhängungen als wirtschaftlich akzeptabel und sehr wirtschaftlich erwiesen.

Einer der Hauptvorteile von FES-Speichersystemen ist neben ihrer hohen spezifischen Energieintensität ihre relativ lange Lebensdauer, die bis zu 25 Jahre betragen kann. Der Wirkungsgrad von Schwungradsystemen auf Basis von Graphenstreifen erreicht übrigens 95 %. Darüber hinaus ist die Ladegeschwindigkeit erwähnenswert. Dies hängt natürlich von den Parametern der Elektroinstallation ab.

Beispielsweise lädt und entlädt ein Energierekuperator an einem U-Bahn-Schwungrad, der während der Beschleunigung und Verzögerung des Zuges in 15 Sekunden geladen und entladen wird. Es wird davon ausgegangen, dass die nominale Lade- und Entladezeit eine Stunde nicht überschreiten sollte, um eine hohe Effizienz des Schwungradspeichersystems zu erreichen.

Die Anwendbarkeit von FES-Systemen ist recht breit gefächert. Sie können erfolgreich an verschiedenen Hebegeräten eingesetzt werden und ermöglichen eine Energieeinsparung von bis zu 90 % beim Be- und Entladen. Diese Systeme können effektiv zum schnellen Laden von Elektrofahrzeugbatterien, zur Frequenz- und Leistungsstabilisierung in Stromnetzen, in unterbrechungsfreien Stromquellen, in Hybridfahrzeugen usw. eingesetzt werden.

Vor diesem Hintergrund weisen Schwungradspeichersysteme bemerkenswerte Eigenschaften auf.Wenn also ein Material mit hoher Dichte verwendet wird, sinkt der spezifische Stromverbrauch des Speichers aufgrund einer Verringerung der Nenndrehzahl.

Wird ein Material mit geringer Dichte verwendet, erhöht sich durch die Geschwindigkeitssteigerung der Stromverbrauch, allerdings steigen dadurch auch die Anforderungen an das Vakuum sowie an Halterungen und Dichtungen und der elektrische Wandler wird komplexer.

Die besten Materialien für Superschwungräder sind hochfeste Stahlriemen und Fasermaterialien wie Kevlar und Kohlefaser. Das vielversprechendste Material bleibt, wie oben erwähnt, das Graphenband, nicht nur wegen der akzeptablen Parameter Festigkeit und Dichte, sondern vor allem wegen seiner Bruchsicherheit.

Die Bruchgefahr ist ein großes Hindernis für Hochgeschwindigkeitsschwungradsysteme. Verbundmaterialien, die in Schichten gerollt und verklebt werden, zerfallen schnell und delaminieren zunächst in Filamente mit kleinem Durchmesser, die sich sofort gegenseitig verwickeln und abbremsen, und dann in ein leuchtendes Pulver. Das kontrollierte Aufbrechen (im Falle eines Unfalls) ohne Beschädigung des Rumpfes ist eine der Hauptaufgaben der Ingenieure.

Die Freisetzung von Bruchenergie kann durch eine eingekapselte Flüssigkeit oder eine gelartige Innenhülle gemildert werden, die die Energie absorbiert, wenn das Schwungrad bricht.

Eine Möglichkeit, sich vor einer Explosion zu schützen, besteht darin, das Schwungrad unter der Erde zu verlegen, um im Falle eines Unfalls alle Trümmer zu stoppen, die mit Geschossgeschwindigkeit herumfliegen würden. Es gibt jedoch Fälle, in denen Splitter vom Boden nach oben fliegen und nicht nur den Rumpf, sondern auch die angrenzenden Gebäude zerstören.

Schauen wir uns abschließend die Physik des Prozesses an.Die kinetische Energie eines rotierenden Körpers wird durch die Formel bestimmt:

wobei I das Trägheitsmoment eines rotierenden Körpers ist

Die Winkelgeschwindigkeit lässt sich wie folgt darstellen:

Für einen durchgehenden Zylinder beträgt das Trägheitsmoment beispielsweise:

und dann ist die kinetische Energie für einen Vollzylinder durch die Frequenz f gleich:

Dabei ist f die Frequenz (in Umdrehungen pro Sekunde), r der Radius in Metern und m die Masse in Kilogramm.

Nehmen wir zum Verständnis ein grobes Beispiel. Ein 3-kW-Boiler bringt Wasser in 200 Sekunden zum Kochen. Mit welcher Geschwindigkeit muss sich ein kontinuierliches zylindrisches Schwungrad mit einer Masse von 10 kg und einem Radius von 0,5 m drehen, damit beim Stoppvorgang genügend Energie vorhanden ist, um das Wasser zum Kochen zu bringen? Der Wirkungsgrad unseres Generator-Umrichters (der bei jeder Drehzahl betrieben werden kann) soll 60 % betragen.

Antworten. Die Gesamtenergiemenge, die zum Kochen des Wasserkochers erforderlich ist, beträgt 200 * 3000 = 600.000 J. Unter Berücksichtigung des Wirkungsgrads ergibt sich 600.000 / 0,6 = 1.000.000 J. Unter Anwendung der obigen Formel erhalten wir einen Wert von 201,3 Umdrehungen pro Sekunde.

Siehe auch:Kinetische Energiespeicher für die Energiewirtschaft

Eine weitere moderne Art, Energie zu speichern: Supraleitende magnetische Energiespeichersysteme (SMES)