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Schwungradspeicher

Ein Schwungradspeicher ist eine Art von Energiespeicher, der auf einem oder mehreren Schwungrädern basiert. Diese werden in aller Regel mithilfe eines Elektromotors zum Rotieren gebracht, der beim Entladen des Speichers auch als Generator verwendet wird. Solch ein Schwungradspeicher dient also als ein Speicher für elektrische Energie, der diese intern als mechanische Energie (Bewegungsenergie) speichert.

Andere Bezeichnungen für Schwungradspeicher sind Schwungscheibenspeicher, Drehmassenspeicher, elektromechanische Batterie und Elektrogyro.

Der direkte Austausch mechanischer Energie mit einem Schwungrad ist im Prinzip ebenfalls möglich, allerdings wegen der nötigen Anpassung der Drehzahl eher schwierig. Dafür könnte im Prinzip ein stufenloses Getriebe notwendig sein, welches aber in Bezug auf Reibungsverluste und Lebensdauer einem Schaltgetriebe meist unterlegen ist. Die Verwendung einer Reibungskupplung genügt in manchen Fällen, ist aber im Betrieb mit hohen Energieverlusten und Verschleiß verbunden. Möglich ist beispielsweise auch der Antrieb über eine Dampfturbine und die Auskopplung der Energie mit einem elektrischen Generator.

Ein Schwungrad, wie es beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor zur Erzielung besserer Laufruhe verwendet wird, kann als eine einfache Art von Schwungradspeicher betrachtet werden. Hier erfolgt die Energiespeicherung aber nur über sehr kurze Zeiten und in sehr geringem Umfang.

Technische Details

Die in einem Schwungrad mit dem Trägheitsmoment <$J$> gespeicherte Energiemenge ist <$E = J \omega ^2 / 2$>, wobei <$\omega$> die Winkelgeschwindigkeit ist, also <$2 \pi$> mal die Drehzahl. Daraus erkennt man, dass bei doppelter Drehzahl die vierfache Energiemenge gespeichert werden kann.

Um eine möglichst große Energiemenge speichern zu können, muss man das Trägheitsmoment und vor allem die Drehzahl maximieren. Ein hohes Trägheitsmoment resultiert aus einer hohen Masse und einem großen Umfang des Schwungrads; beide Faktoren können jedoch die anwendbare Drehzahl limitieren, da die bei schneller Rotation auftretenden Zentrifugalkräfte sehr stark werden. (Spätestens wenn die Umfangsgeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit des Materials erreicht, versagt ein Schwungrad.) Deswegen gehen moderne Entwicklungen eher in die Richtung, dass man nicht allzu schwere, aber sehr zugfeste Materialien (z. B. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, CFK, oder Kevlar) mit sehr hoher Geschwindigkeit (hunderte von Umdrehungen pro Sekunde) rotieren lässt.

Ein rotierendes Schwungrad weist von seiner Drehzahl abhängige Energieverluste auf, die größtenteils durch Reibung entstehen. Solche Verluste können minimiert werden beispielsweise durch den Betrieb des Rotors in einem Vakuum (zur Vermeidung des Luftwiderstands) und durch die Verwendung berührungsloser Magnetlager.

Die verwendeten Elektromaschinen müssen in einem weiten Drehzahlbereich effizient arbeiten können. Hierfür ist in der Regel ein frequenzvariabler Betrieb mithilfe eines Umrichters nötig. Die moderne Leistungselektronik macht sehr leistungsfähige, kompakte, effiziente und langlebige Umrichter möglich.

Vor- und Nachteile von Schwungradspeichern

Schwungradspeicher haben typische Charakteristika, die sie von anderen Speichern für elektrische Energie auf verschiedene Weisen unterscheiden:

• Das Aufladen wie auch die Energieentnahme kann mit sehr hoher Leistung geschehen, in der Regel nur begrenzt durch die Leistung der verwendeten Elektromaschine(n) oder die z. B. aus dem Stromnetz verfügbare Ladeleistung. Ein komplettes Aufladen oder Entladen ist meist innerhalb weniger Minuten oder sogar noch schneller möglich.
• Leider treten auch ohne Energieentnahme ständig Verluste der gespeicherten Energie auf. Die resultierende Selbstentladung ist weitaus größer als beispielsweise bei Batterien.
• Beim Aufladen und Entladen des Speichers treten zusätzliche Verluste in der Elektromaschine auf – abhängig von der jeweiligen übertragenen Leistung. Diese Verluste können allerdings vor allem bei größeren Schwungradspeichern sehr gering sein (wenige Prozent) – deutlich geringer als bei Batteriespeichern.
• Die verwendete Technik kann recht robust, wartungsarm und langlebig sein. Eine Alterung von Komponenten tritt kaum auf. Die Lebensdauer leidet auch kaum unter häufigem Auf- und Entladen; es ist also eine sehr hohe Zyklenzahl (evtl. im Bereich von Millionen von Zyklen) möglich. Natürlich gibt es auch keine Probleme mit Tiefentladungen, wie sie von Batterien bekannt sind.
• Die erreichbare Energiedichte ist vergleichsweise gering: z. B. in der Größenordnung von 10 Wh/kg, zu vergleichen mit rund 180 Wh/kg bei Lithium-Ionen-Batterien. Man benötigt also pro gespeicherter Kilowattstunde eine Masse in der Größenordnung von 100 kg. Die geringe Energiedichte ist vor allem bei mobilen Anwendungen ein wesentlicher Nachteil; bei stationären Anwendungen fällt sie weniger ins Gewicht, außer dass sie natürlich auch die Kosten beeinflusst.
• Bei Anwendungen in Fahrzeugen kann der hohe Drehimpuls eines aufgeladenen Schwungradspeichers nachteilig sein; er führt bei Änderungen der Richtung der Drehachse zu gyroskopischen Effekten. In der Regel muss die Rotationsachse dann senkrecht liegen, damit bei Änderungen der Fahrtrichtung keine massiven Kippmomente auftreten.
• Wie auch bei praktisch allen anderen Energiespeichern sind mit der Bevorratung einer nennenswerten Energiemenge gewisse Risiken verbunden. Wenn beispielsweise ein Energiespeicher in einem Fahrzeug bei einem Unfall beschädigt wird, kann die erfolgende Energiefreisetzung die entstehenden Schäden und Gefahren wesentlich vergrößern.

Wegen der hohen Selbstentladung und auch wegen der hohen Kosten pro speicherbarer Kilowattstunde sind Schwungradspeicher nicht als Langzeitspeicher, sondern nur als Kurzzeitspeicher (meist für Zeiten unterhalb einer Stunde) geeignet. Bereits für Solarstromspeicher, die Energie über etliche Stunden speichern sollen, eignen sich Batterien besser. Für Langzeitspeicher existieren andere Technologien wie z. B. Pumpspeicherkraftwerke und Druckluftspeicherkraftwerke.

Bei Kostenvergleichen beispielsweise mit Batterien spielt die Zahl der für die jeweilige Anwendung benötigten Lade-/Entladezyklen eine große Rolle. Wenn im Laufe der Lebensdauer Millionen von Zyklen absolviert werden sollen, werden die Kosten pro umgesetzter Kilowattstunde viel niedriger als mit Batterien. Dagegen liegen die auf die Speicherkapazität bezogenen Kosten sehr viel höher als bei Batterien; bei geringerer Zyklenzahl (z. B. 1000 Zyklen pro Jahr) sind deswegen Batterien klar überlegen.

Anwendungen von Schwungradspeichern

Elektrofahrzeuge

Elektroautos enthalten in aller Regel aufladbare Batterien zum Mitführen der benötigten elektrischen Energie. Für manche Fahrzeuganwendungen – insbesondere für Stadtbusse – kommen stattdessen jedoch auch Schwungradspeicher infrage. Solche können beispielsweise an Haltestellen recht schnell aufgeladen werden, wobei z. B. über einen Stromabnehmer elektrische Energie mit sehr hoher Leistung aus dem Stromnetz bezogen wird. Die damit erzielbaren Reichweiten sind sehr kurz (einige Kilometer), jedoch für den Betrieb zwischen nahe gelegenen Haltestellen ausreichend. Solche Elektrogyros wurden schon seit Jahrzehnten eingesetzt, allerdings nur in geringen Stückzahlen.

Rekuperation in Fahrzeugen und Hebesystemen

In einem Fahrzeug kann ein Schwungradspeicher auch zur Rekuperation, d. h. zur Rückgewinnung von Bremsenergie dienen. Er wird aufgeladen mithilfe elektrischer Leistung, die ein mit den Rädern verbundener Generator erzeugt. Beim Beschleunigen kann der Schwungradspeicher wieder Energie abgeben. Es ist also nur eine relativ kurze Speicherzeit notwendig, dagegen eine hohe Leistung, was den Charakteristika eines Schwungradspeichers gut entspricht. Dies wurde bereits im 19. Jahrhundert erkannt und in einigen Fahrzeugen realisiert. Für dieselelektrische Rangierlokomotiven ist das Konzept besonders geeignet.

Eine stationäre Anwendung, bei der die Rekuperation interessant sein kann, ist das Verladen von Containern in einem Hafen. Viele Tonnen schwere Container müssen dabei um etliche Meter angehoben und dann wieder abgesenkt werden. Auch diese Anforderung entspricht sehr gut den Charakteristika von Schwungradspeichern.

Netzdienstleistungen

Seit vielen Jahren werden Schwungradspeicher für die Erbringung von Netzdienstleistungen eingesetzt. Hier geht es um die kurzfristige Frequenzregelung im Stromnetz durch Einspeisen einer Reserveleistung bzw. Entnahme überschüssiger Leistung. Bei solchen Anwendungen ist die hohe Robustheit von Schwungradspeichern interessant, da sehr häufige Lade- und Entladevorgänge nötig sein können. Wo beispielsweise sehr viel Windenergie gewonnen wird, können Schwungradspeicher zur Stabilisierung des Netzes beitragen. Wo dagegen elektrische Energie hauptsächlich in Großkraftwerken gewonnen wird, kann diese Aufgabe von deren großen Generatoren direkt übernommen werden.

Notstromversorgung

Ein großes Notstromaggregat auf der Basis beispielsweise eines Dieselmotors braucht zum Anlassen kurzfristig eine recht hohe Leistung. Hierfür kann ein Schwungradspeicher dienen, der trotz sehr begrenzter Speicherkapazität kurzfristig eine hohe Leistung zur Verfügung stellen kann. Im Bereitschaftsbetrieb muss ein kleiner Elektromotor ständig die Energieverluste ausgleichen. Diese Bereitschaftsverluste sind ein deutlicher Nachteil gegenüber Batterien.

Ein Schwungradspeicher kann auch sonst in unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen (USV-Anlagen) verwendet werden. Er kann kurzfristige Netzausfälle als Überbrückungsspeicher ausgleichen; erst wenn seine Kapazität erschöpft ist, muss ggf. ein Notstromaggregat mit Verbrennungsmotor aktiviert werden.

Sonderanwendungen

Manche Anlagen benötigen im Durchschnitt nicht sehr viel Energie, für kurze Zeiten jedoch eine sehr hohe Leistung. Diese dem Stromnetz zu entnehmen, ist oft nicht praktikabel, da dafür eine sehr hohe Anschlussleistung notwendig wäre und für die Vorhaltung der Leistung durch das Energieversorgungsunternehmen sehr hohe Kosten entstünden. Außerdem wären störende Rückwirkungen auf das Stromnetz zu befürchten. Aus diesen Gründen werden in solchen Fällen schon seit Jahrzehnten oft Schwungradspeicher verwendet. Indem das eingesetzte Schwungrad über einen längeren Zeitraum aufgeladen wird, kommt man mit einer weit geringeren Anschlussleistung am Stromnetz aus.

Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist die Durchführung von Kernfusionsexperimenten am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching. Hier wird eine Leistung von über 150 MW für nur zehn Sekunden benötigt. Ähnliche Anlagen bestehen auch am CERN bei Genf und beim Joint European Torus (JET) in Oxfordshire. Bei anderen Anwendungen werden kurzfristig hohe Leistungen beispielsweise für Materialbelastungsexperimente benötigt.

Auch in der Raumfahrt gibt es Anwendungen für kleine Schwungradspeicher, die gleichzeitig zur Lagestabilisierung eines Satelliten dienen können.

Siehe auch: Energiespeicher, Speicher für elektrische Energie, mechanische Energie