Kinetische Energiespeicher für die Energiewirtschaft

Das Thema der Verbesserung der Energieeffizienz wird wohl nie an Aktualität verlieren. Aus diesem Grund entwickeln viele Institutionen heute effizientere Energiespeicher. Und eine der vielversprechenden Lösungen in diesem Bereich ist der Einsatz von kinetischer (in Bewegung befindlicher) Energiespeicherung auf Basis von Hochenergieschwungrädern.

Ihre Einsatzgebiete reichen von kleinen unabhängigen unterbrechungsfreien Stromversorgungen für Privathaushalte bis hin zu großen Industrieanlagen, die bei der Drehung eines Schwungrads Energie speichern und diese zum richtigen Zeitpunkt mit der erforderlichen Leistung abgeben und so das Netzwerk vor Spannungsspitzen schützen.

Der Vorteil solcher Einheiten besteht darin, dass das massive Schwungrad die angesammelte kinetische Energie sofort in elektrische Energie umwandeln kann und so die Verbrauchergeräte mit der notwendigen Leistung versorgt.

Solche Geräte zeichnen sich durch minimale Betriebskosten, einen hohen Automatisierungsgrad und keine regelmäßige Wartung aus.

Nach dem Aufladen auf die volle Kapazität in wenigen Minuten gibt das Schwungrad die gespeicherte Energie bei Bedarf für einige Sekunden ab, während die normalen Betriebsparameter des Netzwerks hohen Spitzenströmen möglicherweise nicht standhalten.

Wie es funktioniert

Das Schwungrad wird von einer elektrischen Maschine über eine Welle oder einen anderen Übertragungsmechanismus in Drehung versetzt und gibt bei Bedarf die angesammelte Energie über die Welle im Generatormodus ab, und die Maschine, die das Schwungrad selbst dreht, kann in diesem Moment als Generator arbeiten.

Ein automatisiertes Steuerungssystem mit Sensoren zur Steuerung von Parametern macht den Prozess der Geschwindigkeitssteigerung sicher und reagiert in einer kritischen Situation sowohl auf das Erreichen einer gefährlichen Drehzahl des Schwungrads als auch auf die Notwendigkeit, sofort in den Rückkehrmodus zu wechseln angesammelte kinetische Energie.

Funktionen und Fähigkeiten

Auf diese Weise ermöglichen kinetische Speichergeräte die Lösung der Probleme der Akkumulation, Zwischenspeicherung und anschließenden Umwandlung von Energie, um optimale Leistungsmodi der Geräte auch bei extrem nicht standardmäßigen Parametern sicherzustellen. Dadurch wird ein möglichst breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten dieser technischen Lösung abgedeckt.

Ein derartiger elektromechanischer Wandler weist eine Reihe von Vorteilen auf. Die spezifische Energieintensität von kinetischen Speichern ist höher als die von Kondensatoren und in Bezug auf die an die Last gelieferte spezifische Leistung (Strom) liegen sie sowohl vor Säurebatterien als auch vor Brennstoffzellen.

Gleichzeitig sind kinetische Speicher kompakt, umweltfreundlich, haben einen Wirkungsgrad von etwa 90 %, haben eine lange Lebensdauer von mehr als 10 Jahren, sind einfach zu warten und die Arbeitsressourcen sind praktisch unbegrenzt Das Kühlsystem ist hundertmal günstiger als das von supraleitenden Induktionsspeichern (SPINs). …

Medizinische Zentren, Nuklearanlagen, Datenspeicherzentren, Banklager, chemische Industrien – überall dort, wo eine Energiesicherung für die Stromversorgung kritischer Benutzer erforderlich ist, sind kinetische Speichergeräte praktisch. Was kann man zum Ausgleich von Spitzenlasten bei großen Stromnetzen sagen, weshalb es in ganzen Stadtgebieten zu Stromausfällen kommt?

Was wird jetzt verwendet?

Seit zehn Jahren ist die Entwicklung kinetischer Speicher in mehreren Regionen der Welt, insbesondere in den USA und Deutschland, und in den letzten Jahren auch in Russland, nicht gestoppt.

Die deutsche ATZ produziert 20-MJ-Antriebe mit einer Leistung von bis zu 250 kW und ist mit einem Netzsynchronisationssystem ausgestattet. Darüber hinaus überschreiten die Abmessungen des Geräts 1,5 Meter nicht.

Das Antriebsschwungrad besteht aus hochfester Kohlefaser und ist auf einer HTSC-Keramikaufhängung montiert. Die elektrische Maschine, die das Schwungrad der ATZ beschleunigt und Strom erzeugt, ist fertig basierend auf permanenten Seltenerdmagneten.

American Beacon Power produziert zylindrische Speicher für 6 kWh und 25 kWh, die in Clustern verwendet werden können, um die Stabilität der Stromparameter in den industriellen Stromnetzen des Landes sicherzustellen.

KNE-Designphasen

Beim Entwurf eines kinetischen Speichergeräts lösen Entwickler die folgenden technischen Probleme: Berechnen des Motorgenerators, Auswahl der Lager, Berechnen des Schwungrads sowie der Kühl-, Überwachungs- und Steuerungssysteme und dann mit der Produktion fortfahren.

Abhängig vom Zweck eines bestimmten Antriebsmodells können die darin integrierten elektrischen Maschinen grundsätzlich unterschiedlich sein. Es gibt jedoch einen unbestreitbaren Vorteil Synchrone elektrische Maschinen… Bei Synchronmaschinen gibt es keine Bürsten und die Permanentmagnete des Rotors ermöglichen eine hohe spezifische Leistung des Motorgenerators.

Lager und Aufhängungen eignen sich am besten für berührungslose Lager, beispielsweise auf Basis von Hochtemperatur-Supraleitern (HTSC).

Obwohl solche Systeme eine spezielle Kühlung benötigen, sind sie ohne Stromversorgung dennoch perfekt stabilisiert: Ein Induktor aus einem Satz Permanentmagnete interagiert mit einer HTSP-Matrix im supraleitenden Zustand. Selbst in Luft treten keine Reibungsverluste auf, Vibrationen sind selbst bei hohen Geschwindigkeiten minimal und die Struktur zentriert sich im Betrieb automatisch.

Ein Beispiel für ein am russischen MAI entwickeltes Gerät

Das Magnetfeld der Permanentmagnete interagiert mit den aktivierten HTSP-Blöcken, und nach der Installation des Trägers neigt sich das Schwungrad einfach über den Kryostaten (schwebt in einem Abstand von weniger als 1 cm darüber), ohne sich in radialer Richtung zu bewegen.

Durch die elektromagnetische Wechselwirkung der Stator- und Rotorpole entsteht ein resultierendes Drehmoment, das das Schwungrad beschleunigt und so den Antrieb mit Energie versorgt.Und da es bei den in kinetischer Form akkumulierten Stützen zu keinen Verlusten kommt, wird die Energie lange gespeichert und bei Bedarf durch Umwandlung in den Generatorbetrieb verbraucht.

Bei der Akkumulation der vollen Nennenergie von 500 kJ wird das Schwungrad in 300 Sekunden auf 6000 Umdrehungen pro Minute beschleunigt. Es kann problemlos eine Leistung von 10 kW für 25 Sekunden kontinuierlich liefern, da die der Anlage entnommene Nennleistung 250 kJ beträgt bzw. eine Last von 1 kW für 4 Minuten garantiert bereitgestellt werden kann.

Die Eingangsspannungsfrequenz beim Laden beträgt 50 Hz bei einer Standard-Netzspannung von 220-240 Volt. Das Schwungrad wiegt 100 kg und das Trägheitsmoment beträgt ca. 3,6 kg * m2.

Was den Generatormodus betrifft, beträgt die Stromfrequenz bei der Auswahl 200 Hz auf drei Phasen bei Spannungen von 160 bis 240 Volt. Die maximale Nennleistung zur Auswahl beträgt 11 kW.

Perspektiven für Russland und die GUS

In jüngerer Zeit hat das russische Unternehmen Kinetic Power eine eigene Version stationärer kinetischer Energiespeicher auf Basis von Superschwungrädern entwickelt. Ein solcher Speicher ist in der Lage, bis zu 100 kWh Energie zu speichern und kurzfristig eine Leistung von bis zu 300 kW bereitzustellen.

Unter den Bedingungen des russischen Marktes ist eine Gruppe mehrerer solcher Speicher in der Lage, die tägliche Heterogenität der Stromlast einer ganzen Region auszugleichen und teure und sperrige Pumpkraftwerke zu ersetzen.

Darüber hinaus können kinetische Speichergeräte, wie eingangs erwähnt, verwendet werden, um Geräte mit höchster Verantwortung unterbrechungsfrei mit Strom zu versorgen.Die einzigartigen Eigenschaften dieser Entwicklungen gewährleisten eine Reaktion des Geräts im Hundertstelsekundenbereich, sodass Benutzer die Stromversorgung keine Sekunde lang unterbrechen müssen.