Die Einführung von Flywheel Energy Storage Systems (FESS) in die Fahrzeugtechnik ist ein faszinierendes Konzept, das in den letzten Jahren sowohl von der Wissenschaft als auch von der Industrie intensiv untersucht wurde. Dennoch gibt es mehrere praktische und theoretische Hürden, die diese Technologie bislang von einer breiten Marktdurchdringung abgehalten haben. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, eine genaue Analyse der Eigenschaften dieser Energiespeichertechnologien vorzunehmen, insbesondere im Hinblick auf die Mindestanforderungen, die erfüllt sein müssen, damit diese Lösungen für den Endverbraucher akzeptabel sind.

Ein zentraler Aspekt, der oft übersehen wird, ist, dass Merkmale wie eine hohe Energiedichte und ein niedriger Selbstentladung nicht immer die wichtigsten Kriterien für die Entscheidung des Kunden darstellen. In vielen Fällen erwerben Kunden Lösungen, die aus einer rein technischen Sicht suboptimal erscheinen. Dies liegt daran, dass für eine erfolgreiche Marktakzeptanz einer Technologie, wie zum Beispiel eines FESS, vor allem zwei Faktoren entscheidend sind: die Reduzierung der Kosten und das Erreichen bestimmter Mindestenergieanforderungen, die in der Fachwelt als „Grenzwerte“ bezeichnet werden.

Energie-technische Grenzwerte

Die Frage, die sich hierbei stellt, lautet: „Wann ist eine technische Lösung ausreichend, um sie für den Endverbraucher attraktiv zu machen?“ Diese Fragestellung kann anhand von Beispielen und Vergleichstechnologien verdeutlicht werden. Zum Beispiel wird der Verbrauch von Kraftstoffen durch die Fahrer in der Regel durch den Fahrkomfort, die Reichweite und die Betriebskosten bestimmt, und nicht unbedingt durch eine extrem hohe Energiedichte des Treibstoffs. Bei einem herkömmlichen Fahrzeug ist ein Tank mit einem Volumen von 30 bis 80 Litern in den meisten Fällen völlig ausreichend, auch wenn theoretisch auch größere Tanks oder eine höhere Energiedichte möglich wären. Diese Werte haben sich als zufriedenstellend etabliert.

Im Gegensatz dazu stellt sich bei Elektrofahrzeugen die Lage anders dar. Einige Batterietechnologien, wie die Bleibatterie, bieten zu geringe Energiedichten und kommen deshalb für Elektrofahrzeuge nicht infrage. Selbst wenn die Kosten dieser Technologien deutlich sinken würden, könnte dies die mangelnde Praxistauglichkeit und Leistung nicht ausgleichen. Lithium-Polymer- und Lithium-Ionen-Batterien hingegen sind aufgrund ihrer höheren spezifischen Energie weit verbreitet und werden in alternativen Fahrzeugantrieben als Hauptenergiequelle eingesetzt.

Ein klarer Grenzwert, der für die Verwendung von Flywheel Energy Storage Systemen (FESS) als primäres Energiespeichermedium entscheidend ist, liegt bei etwa 60 Wh/kg. Dies bedeutet, dass Flywheels, um als praktikable Lösung in Fahrzeugen genutzt werden zu können, mindestens diese spezifische Energie erreichen müssen. Darunter fällt auch die Betrachtung anderer bereits etablierter Speichertechnologien, deren Eigenschaften auf verschiedenen Fahrzeugplattformen erprobt wurden.

Bestimmung der Grenzwerte für FESS

Es ist eine historische Tatsache, dass Flywheels trotz vieler positiver Ankündigungen in den 1970er Jahren noch immer nicht in den Markt integriert werden konnten. Dies liegt vor allem an der relativ niedrigen erreichbaren spezifischen Energie, die hauptsächlich durch das Gewicht der Systemkomponenten wie Schutzhülle, Vakuumtechnik, Elektromotor und Kühlsysteme beeinträchtigt wird. Ein weiterer kritischer Punkt ist die hohe Selbstentladerate, die bei längeren Fahrten zu Problemen führen kann. Zum Beispiel sind mit einem rein flywheel-betriebenen Fahrzeug mehrtägige Fahrten derzeit nicht denkbar, da die gespeicherte Energie schnell verloren geht.

Die Nutzung von FESS erscheint daher vor allem dann sinnvoll, wenn es darum geht, regenerative Bremsvorgänge zu unterstützen, Lastspitzen des Verbrennungsmotors abzufangen oder um kurzfristig emissionenfreien Betrieb zu ermöglichen – jedoch nicht als primäres Energiespeichersystem. Eine der wenigen Ausnahmen war der MFO Gyrobus von 1953, der in der Lage war, das Flywheel an jeder Haltestelle aufzuladen. Diese Art von dynamischem Hochleistungsspeicher unterscheidet sich grundlegend von konventionellen Energiespeichern, die als Hauptenergiequelle für alternative Antriebssysteme verwendet werden.

In hybriden Fahrzeugen oder in Fahrzeugen mit regenerativen Bremssystemen, wie sie in vielen modernen Fahrzeugen zu finden sind, kommen Flywheels oftmals zur Anwendung. Diese Systeme ermöglichen die kurzfristige Speicherung und Rückgewinnung von Energie, die beispielsweise beim Bremsen freigesetzt wird. Die wesentlichen Anforderungen an solche Systeme beinhalten nicht nur die maximale Energiemenge, die gespeichert werden kann, sondern auch deren Fähigkeit, eine hohe Leistungsdichte zu bieten, um den Anforderungen eines Fahrzeugs gerecht zu werden.

Vergleich der Spezifischen Energie verschiedener Speichertechnologien

Ein wichtiger Parameter bei der Auswahl von Energiespeichersystemen ist die sogenannte spezifische Energie, die die Energiemenge pro Kilogramm Speichergewicht angibt. Eine Vielzahl von Energiespeichern, die in Fahrzeugen verwendet werden, wie Blei-, Nickel-Cadmium- oder Lithium-Ionen-Batterien, erreicht spezifische Energiewerte von mindestens 60 Wh/kg. Andere Technologien, wie beispielsweise Superkondensatoren oder hydraulische Druckspeicher, bieten möglicherweise keine ausreichende Energiedichte, sind jedoch für bestimmte Anwendungen, wie die schnelle Energieabgabe oder das Abfangen von Lastspitzen, durchaus geeignet.

In Hybridfahrzeugen, die auf regenerative Bremstechnologien angewiesen sind, sind Flywheels ein wertvolles System, um überschüssige Energie zu speichern und diese bei Bedarf schnell wieder abzugeben. Diese spezifischen Anforderungen an die Energiespeichertechnologien haben klare Auswirkungen auf die Wahl der geeigneten Speicherlösung für jedes spezifische Fahrzeugkonzept.

Zusätzliche Aspekte der Markteinführung

Die Herausforderungen der Einführung von FESS in die Fahrzeugarchitektur gehen über technische und energetische Grenzwerte hinaus. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die einfache Integration in bestehende Fahrzeugarchitekturen. Dies erfordert nicht nur eine Minimierung der Wartungskosten, sondern auch eine effiziente Recyclingfähigkeit der Energiespeicher, um die Nachhaltigkeit der Technologie zu gewährleisten. Auch der Imagegewinn durch den Einsatz umweltfreundlicherer sekundärer Energien, wie beispielsweise Strom, spielt eine wichtige Rolle für den Markterfolg.

Insgesamt zeigt sich, dass der Erfolg von FESS nicht nur von den spezifischen Eigenschaften des Energiespeichers abhängt, sondern auch von der Fähigkeit, diese Technologien in bestehende Fahrzeugkonzepte zu integrieren und dabei wirtschaftliche und ökologische Vorteile zu erzielen.

Wie eine präzise Rotorbalance die Sicherheit und Effizienz bei Testläufen maximiert

Die Bedeutung einer genauen Rotorbalance ist in der Praxis nicht zu unterschätzen, insbesondere wenn es um die Durchführung von Überschalltests geht, bei denen hohe Drehzahlen und extreme Zentrifugalkräfte auf das Material wirken. Eine der grundlegenden Anforderungen bei der Konstruktion von Rotoren für mobile Flywheel-Energiespeichersysteme ist es, die Rotoren so auszubalancieren, dass sie unter extremen Belastungen nicht versagen oder gefährliche Vibrationen entwickeln. Das Auswuchten der Rotoren ist dabei eine der entscheidendsten Maßnahmen, um das Risiko von unerwünschten Schwingungen und Beschädigungen zu minimieren.

Im Rahmen eines Tests eines FIMD-Flugzeugsrotors wurde eine Schenck Pasio 50 Auswuchtmaschine verwendet, um den Rotor vor dem eigentlichen Belastungstest präzise auszubalancieren. Zu Beginn des Tests wies der Rotor eine „grobe Unwucht“ von 300 g·mm auf, was im Verhältnis zur gesamten Rotormasse von 25 kg als relativ gering einzustufen war. Nach mehreren dynamischen Auswuchtläufen bei 700 U/min konnte die Restunwucht auf 4,2 g·mm reduziert werden. Dies wurde durch das Anbringen einer M6-Schraube und das Platzieren eines 1,9 g schweren Schiebesteckers im Doppelschlitten und am Rotorendstück erreicht. Eine so hohe Auswuchtqualität führte zu einer extrem niedrigen Wellenvibration, was die Voraussetzung für den anschließenden Burst-Test bildete.

Der Burst-Test selbst wurde auf einem speziell entwickelten Prüfstand, dem Centrio100 von Schenck Rotec, durchgeführt. Der Prüfstand ist mit einem schützenden Gehäuse aus vier dicken, konzentrischen Stahlzylindern ausgestattet, die verhindern sollen, dass bei einem möglichen Rotorversagen Trümmer in den Raum gelangen. Der Rotor wurde dabei an einer flexiblen Welle im oberen Teil des Prüfstands aufgehängt. Um die erforderliche Drehzahl zu erreichen, bei der der Rotor getestet werden sollte, und gleichzeitig die Leistungseinbußen durch viskosen Widerstand zu reduzieren, wurde der Test in einem Vakuum durchgeführt.

Während des Tests zeigte sich, dass die Rotorbalance bei zunehmender Drehzahl allmählich verschlechterte. Dies war auf den plastischen Verformungsprozess des Rotormaterials zurückzuführen, der mit steigender Drehzahl in Verbindung stand. Im ersten Spin-Zyklus konnte ein deutlicher Anstieg der Wellenvibrationen bei einer Drehzahl von 40.000 U/min festgestellt werden. Dies zeigte, dass die Balancierqualität sich verschlechterte, als die Drehzahl weiter erhöht wurde. Der Test wurde unterbrochen, um eine visuelle Inspektion und ein erneutes Auswuchten vorzunehmen. Dabei wurde festgestellt, dass das Material des Rotors, insbesondere die Flywheel-Masseplatte aus 42CrMo4, plastisch verformt war und eine radiale Expansion von etwa 5 bis 10 mm aufwies. Nach einem erneuten Auswuchten konnte der Rotor auf eine Qualität von 6,2 g·mm bzw. 10,1 g·mm in den beiden Balancierplänen gebracht werden, jedoch blieb die Zentrifugalkraft während des Tests weiterhin problematisch.

Ein zweiter Testlauf zeigte eine ähnliche Dynamik. Bis zu einer Drehzahl von 42.000 U/min blieben die Wellenvibrationen relativ gering und gingen sogar mit steigender Drehzahl zurück. Doch nach der Erhöhung auf 44.000 U/min stiegen die Wellenvibrationen signifikant, was auf eine zunehmende plastische Deformation des Materials hindeutete. Bei 45.000 U/min brach der Rotor schließlich, was sich durch ein lautes Knacken und eine plötzliche Zunahme der Wellenvibrationen bemerkbar machte. Dies war ein Zeichen dafür, dass die Zentrifugalkräfte so hoch waren, dass die Rotorbauteile dauerhaft plastisch verformt wurden. Der Rotor zerbrach in der horizontalen Ebene, wobei die untere Hälfte des Rotors mit der massiven Endplatte und der Messmasseplatte aus W400 VMR in das Lager des Prüfstands fiel.

Die genaue Untersuchung der verbleibenden Rotorenteile zeigte, dass die Rotorkomponenten nicht nur durch hohe Zentrifugalkräfte beschädigt wurden, sondern auch aufgrund der materialbedingten plastischen Deformationen. Besonders auffällig war das Pulverisieren des elektrischen Maschinenstapels aus Vacodur S Plus, was darauf hinweist, dass die Materialwahl für den Rotor entscheidend für die Stabilität und das Verhalten bei hohen Drehzahlen ist.

Ein wesentlicher Aspekt für die Durchführung solcher Tests liegt in der richtigen Materialwahl. Die verschiedenen Materialien, aus denen der Rotor besteht – darunter W400 VMR, 42CrMo4 und Vacodur S Plus – weisen unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf, die ihr Verhalten bei extremen Belastungen beeinflussen. Die Wahl eines geeigneten Materials ist nicht nur für die Leistung des Rotors, sondern auch für die Sicherheit des gesamten Tests entscheidend. Während das Material 42CrMo4 eine hohe Dehnbarkeit aufweist und somit bei der Zentrifugalbelastung plastisch verformt werden kann, besitzt der elektrische Stapel aus Vacodur S Plus eine höhere Zugfestigkeit, was ihn widerstandsfähiger gegen Zug- und Druckbelastungen macht.

Insgesamt zeigt der Testverlauf, dass die Präzision im Auswuchten des Rotors und die sorgfältige Wahl der Materialien entscheidend für den Erfolg eines solchen Tests sind. Eine unzureichende Balance oder ein ungeeignetes Material kann schnell zu katastrophalen Fehlern führen, die nicht nur den Rotor, sondern auch die gesamte Testumgebung gefährden.

Wie das Ungleichgewicht in Schwungradspeichersystemen die Systemleistung beeinflusst

In rotierenden Maschinen, insbesondere in Schwungradspeichern, tritt ein Ungleichgewicht in Form von statischem und dynamischem Ungleichgewicht auf. Diese Ungleichgewichte können zu erheblichen Auswirkungen auf die Leistung und Lebensdauer der Maschinen führen. Um diese Effekte zu minimieren, ist eine präzise Balance des Rotors unerlässlich.

Das dynamische Ungleichgewicht ist besonders komplex, da es nicht nur durch die Geometrie des Rotors verursacht wird, sondern auch durch die Verlagerung des Schwerpunkts, der aus der Asymmetrie der Massenverteilung resultiert. Bei einem rotierenden System führt dies dazu, dass der Rotor während seiner Bewegung eine Kippbewegung vollzieht und somit parallel zu seiner Achse oszilliert. Dies kann die Betriebsbedingungen erheblich beeinträchtigen und zu erhöhten Belastungen der Lager und Vibrationen im System führen.

Um das dynamische Ungleichgewicht zu kompensieren, müssen geeignete Korrekturmaßnahmen ergriffen werden. Hierfür sind mindestens zwei Korrekturachsen notwendig, die es erlauben, das Ungleichgewicht sowohl in der statischen als auch in der dynamischen Dimension zu korrigieren. Dies erfolgt typischerweise durch das Hinzufügen oder Entfernen von Rotor-Massen an vordefinierten Punkten entlang des Rotors. In einem Schwungradspeicher kann dies zu einer Minimierung der Lagerbelastungen führen, was die Effizienz des Systems steigert und die Lebensdauer der Lagerkomponenten verlängert.

Ein praktikabler Ansatz zur Verbesserung des Betriebs ist die dynamische Feinbalance des Rotors, die den Rotor mit höchster Präzision ausbalanciert, um Ungleichgewichte zu verringern. Eine zusätzliche Methode ist die Verwendung von resilienten Lagersitzen, die helfen, die Vibrationen zu dämpfen und die dynamischen Kräfte zu minimieren. Diese Maßnahmen können zusammen die Überlastung der Lager verringern und die Maschine in einen überkritischen Betriebszustand versetzen, bei dem die Vibrationen minimiert und die mechanischen Reaktionen auf das Ungleichgewicht kontrolliert werden.

Besonders im Kontext von Flywheel Energy Storage Systems (FESS) wird der Einfluss von Ungleichgewichtskräften deutlich. Die Rotoren von FESS sind einem ständigen dynamischen Belastungzyklus ausgesetzt, insbesondere bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten, was die Herausforderung der Kompensation von Ungleichgewichten verstärkt. Bei einem FESS mit einem Rotor, der im Unterkritischen Bereich arbeitet, ist es erforderlich, das Ungleichgewicht mit höchster Präzision zu minimieren. Dies ist vor allem für Anwendungen wichtig, bei denen hohe Dauerfestigkeit und Ausdauer gefordert sind, wie etwa in Fahrzeugen, die auf diese Energiespeicher angewiesen sind.

Ein Beispiel hierfür ist der FIMD Rotor, der eine besonders geringe Luftlücke in der elektrischen Maschine aufweist, wodurch nur minimale Deflektionen des Rotors zulässig sind. Hier wird das Ungleichgewicht durch einen Zwei-Schritt-Balancierungsprozess reduziert: Zunächst erfolgt das externe Ausbalancieren des Rotors auf einer Balanciermaschine, wobei das Ungleichgewicht durch die Deflexion des Lagertisches gemessen wird. Im zweiten Schritt erfolgt eine Nachjustierung des Rotors, nachdem er in das Gehäuse eingebaut wurde. Hierbei werden optische und kapazitive Sensoren eingesetzt, um das Ungleichgewicht in Echtzeit zu messen und entsprechend zu kompensieren.

Diese Verfahren erfordern eine besonders präzise Fertigung und Montage des Rotors, da selbst kleine Abweichungen in der Geometrie des Systems die Balance erheblich beeinträchtigen können. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist eine enge Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Fachdisziplinen erforderlich, darunter Maschinenbau, Materialwissenschaften und präzise Fertigungstechnologien.

Ein entscheidender Aspekt bei der Konstruktion und dem Betrieb von FESS ist die Berücksichtigung der Belastungen, die auf die Lager wirken. Die Lagersysteme müssen so ausgelegt sein, dass sie den dynamischen Kräften standhalten und gleichzeitig die Belastungen durch das Ungleichgewicht minimieren. Eine besondere Herausforderung stellt die Berücksichtigung der gyroskopischen Reaktionen dar, die während des Betriebs auftreten, insbesondere wenn der Rotor hohe Drehzahlen erreicht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Verständnis der Auswirkungen von Ungleichgewichtskräften und der richtigen Ausbalancierung entscheidend für die Leistung und Langlebigkeit von Schwungradspeichern ist. Der Erfolg eines FESS hängt nicht nur von der Wahl der Lager und der Fertigungstechnik ab, sondern auch von der Fähigkeit, das dynamische Ungleichgewicht effektiv zu kontrollieren und zu minimieren. Dabei spielen sowohl die Genauigkeit der Fertigung als auch die Integration moderner Mess- und Ausgleichstechniken eine zentrale Rolle.

Wie man mit den unmarkierten Verlusten und versäumten Ritualen nach der Pandemie umgeht