Wie können Schwungradspeicher in der Fahrzeugtechnik zur Effizienzsteigerung beitragen?

Die Speicherung von Energie wird im 21. Jahrhundert als eine der größten technologischen Herausforderungen angesehen und spielt eine zentrale Rolle in der Dekarbonisierung unserer Gesellschaft. Besonders im Kontext der nachhaltigen Mobilität ist effiziente Energiespeicherung von enormer Bedeutung. Die Möglichkeit, Energie effizient zu speichern, ist nicht nur für den Übergang zu erneuerbaren, volatilen Energiequellen entscheidend, sondern auch ein zentrales Element aller mobilen Anwendungen, insbesondere im Automobilbau. In diesem Zusammenhang gewinnen Schwungradspeicher (Flywheel Energy Storage Systems, FESS) zunehmend an Bedeutung als Alternative zu herkömmlichen Lösungen wie chemischen Batterien oder Kondensatoren.

Ein Schwungradspeicher basiert auf einem relativ einfachen physikalischen Prinzip: Energie wird in Form von kinetischer Energie in einer rotierenden Masse gespeichert. Doch trotz der scheinbaren Einfachheit dieses Prinzips sind bislang nur wenige, marktreife Lösungen für die Fahrzeugtechnik entwickelt worden. In der Fahrzeugtechnik wird die Speicherung dieser kinetischen Energie verwendet, um Leistungsspitzen zu glätten, den Energieverbrauch zu optimieren und die Effizienz des gesamten Systems zu steigern.

In den letzten Jahrzehnten wurden über 50 historische Fahrzeugkonzepte mit Hybridantrieben, die Schwungradspeicher nutzen, untersucht. Diese Untersuchungen basieren auf umfangreicher Literaturrecherche und dienen der Bewertung des aktuellen Stands der Technik. Aus dieser Analyse lassen sich nicht nur die optimalen Anwendungsszenarien für Schwungradspeicher ableiten, sondern auch die Entwicklungsziele, die für den Markt- und Technologiedurchbruch entscheidend sind.

Ein weiteres zentrales Thema ist die Entwicklung der spezifischen Zielwerte, die ein Schwungradspeicher erfüllen muss, um im Fahrzeugbau eine marktfähige Lösung darzustellen. Diese Zielwerte sind sowohl technischer als auch energetischer Natur. Sie umfassen beispielsweise die benötigte Speicherkapazität, die Lade- und Entladegeschwindigkeit sowie die Lebensdauer des Systems. Die Anforderungen an die einzelnen Komponenten eines FESS, wie das Schwungrad selbst, die Lager, die Steuerungssysteme und die Energieumwandlungseinheiten, sind eng miteinander verknüpft und beeinflussen die Gesamtperformance des Speichers.

Ein besonders kritischer Punkt bei der Konstruktion eines FESS ist die Frage der Lagerung des Schwungrads. Die mechanischen Anforderungen an die Lager, die das Schwungrad in hoher Drehzahl stabil halten müssen, sind extrem hoch. Hier spielen nicht nur die Materialwahl und die Fertigungstechniken eine Rolle, sondern auch die Art der Schmierung und die Kühlung der Lager. Fortschritte in der Untersuchung des Drehmomentverlusts durch Reibung und thermische Effekte in Vakuumumgebungen sind daher von entscheidender Bedeutung, um die Effizienz des gesamten Systems zu verbessern.

Zusätzlich zur mechanischen Stabilität sind auch die thermischen Eigenschaften der einzelnen Komponenten von großer Bedeutung. Die Entwicklung von Schmiersystemen, die unter extremen Bedingungen zuverlässig arbeiten, ist ein weiterer Schlüsselbereich, der die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Schwungradspeichern erheblich verbessern kann. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung im System kann dazu beitragen, Materialermüdung und damit die Notwendigkeit für häufige Wartungen zu reduzieren.

Die Herausforderung, die Leistungsdichte eines Schwungradspeichers zu maximieren, während gleichzeitig die mechanische Sicherheit und die Zuverlässigkeit der Lager und anderer Komponenten gewährleistet bleibt, ist ein komplexes Gleichgewicht. Der gesamte Entwicklungsprozess erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Disziplinen, von der Materialwissenschaft bis zur Fertigungstechnik und der Systemoptimierung.

Schließlich muss ein Schwungradspeicher nicht nur die technischen Anforderungen erfüllen, sondern auch wirtschaftlich sinnvoll sein. Dies bedeutet, dass die Produktionskosten des Systems, die Wartungskosten und die Gesamtkosten im Vergleich zu anderen Energiespeichertechnologien wettbewerbsfähig sein müssen. Nur durch die Erfüllung dieser Bedingungen kann FESS eine nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Batterien oder Superkondensatoren darstellen.

Die Entwicklung und Optimierung von Schwungradspeichersystemen in der Fahrzeugtechnik ist ein vielversprechendes, aber anspruchsvolles Unterfangen. Es erfordert eine tiefgehende, interdisziplinäre Betrachtung der physikalischen, technischen und wirtschaftlichen Aspekte. Trotz der bestehenden Herausforderungen gibt es zahlreiche Möglichkeiten, die Effizienz und die Lebensdauer von FESS zu steigern und damit einen bedeutenden Beitrag zur nachhaltigen Mobilität zu leisten.

Wie beeinflusst die Schwingfrequenz der Rotorlagerung das Design von Energiespeicher-Flugrädern?

Die Schätzung der natürlichen Frequenz eines Rotorlagersystems stellt aufgrund der Komplexität des Multi-Disc-Rotorsystems eine erhebliche Herausforderung dar. Die Berücksichtigung zahlreicher Einflussfaktoren, wie die Gesamtkraft des Rotors, die Reibungsdämpfung in den Verbindungen und die mechanischen Eigenschaften der Verbindungsbeschichtung, gestaltet diese Aufgabe anspruchsvoll.

Um die kritische Eigenfrequenz des Rotors zu bestimmen, wurden drei verschiedene Methoden verwendet. Dabei zeigte sich, dass jede Methode unterschiedliche Annahmen über das System machte, was zu erheblichen Abweichungen in den Ergebnissen führte. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, dass die Wahl der Berechnungsmethode und die zugrunde liegenden Annahmen gut verstanden werden.

Analytische Berechnung:

Die analytische Berechnung der Eigenfrequenz stützt sich auf die freie Biegung des Rotors, wobei der Rotor als schwingendes Kontinuum betrachtet wird. Dies erfordert die Bestimmung der kinetischen und potenziellen Energie eines Balkens mit bestimmten geometrischen Abmessungen. Die resultierende vierte Differentialgleichung beschreibt die Bewegung des Balkens und führt zu einer Berechnung der Eigenfrequenzen. In diesem Fall wurde die Biegesteifigkeit des Rotors, die durch das Material und die Konstruktion des Rotors beeinflusst wird, experimentell bestimmt.

Numerische Simulation:

Eine numerische Simulation des Systems wurde mit dem Ziel durchgeführt, das Verhalten des gesamten Rotors unter den gegebenen Bedingungen zu modellieren. Dabei wurde angenommen, dass der Rotor ein homogenes, isotropes Material darstellt und die Lagersteifigkeit den Herstellerangaben entspricht. Das Simulationsergebnis ergab eine natürliche Frequenz des Rotor-Lagersystems von etwa 265 Hz, was einer Drehzahl von rund 15.900 U/min entspricht. Diese Simulation berücksichtigte zwar die Steifigkeit der Lager, jedoch nicht die Auswirkungen von Fertigungstoleranzen oder der tatsächlichen Lagergeometrie.

Empirische Messung mit einem Impulshammer:

Zur Bestätigung der theoretischen Berechnungen wurde eine empirische Messung mit einem Impulshammer durchgeführt. Hierbei wurde der Rotor freihängend montiert und mit einem Impulshammer an verschiedenen Stellen des Rotors angeregt. Die Messergebnisse zeigten einen signifikanten Anstieg der Amplitude bei etwa 3200 Hz, was die erste freie Biegungsmoden des Rotors darstellt. Die Analyse der Schwingung zeigte auch, dass das Verhalten des Rotors aufgrund der Vielzahl von Sub- und Überharmonischen Schwingungen stark nichtlinear war, was höchstwahrscheinlich auf Reibungseffekte in der Lamellenstruktur des Rotors zurückzuführen ist.

Interpretation der Abweichungen der Ergebnisse:

Die deutlichen Abweichungen der Ergebnisse aus den verschiedenen Methoden zur Bestimmung der natürlichen Frequenz lassen sich durch mehrere Faktoren erklären. Erstens zeigt sowohl die Messung als auch die analytische Berechnung, dass die natürlichen Frequenzen des Rotors sehr hoch sind, was angesichts des Längen-Durchmesser-Verhältnisses und des Materials des Rotors plausibel erscheint. Zweitens kann angenommen werden, dass die tatsächlichen Lagersteifigkeiten viel geringer sind als in den Berechnungen berücksichtigt. Diese Faktoren können zu einer Unterschätzung der realen Eigenfrequenz des Rotor-Lagersystems führen.

Zusätzlich zu den obigen Messungen und Simulationen ist es wichtig zu verstehen, dass die Lagersteifigkeit ein entscheidender Faktor für das Schwingungsverhalten des Systems ist. Eine zu geringe Steifigkeit der Lager kann zu unvorhergesehenen Resonanzen und Schwingungsproblemen führen, die die Stabilität und Lebensdauer des gesamten Systems gefährden können. Daher sollte bei der Entwicklung von Flywheel-Energiespeichern nicht nur die Berechnung der natürlichen Frequenz berücksichtigt werden, sondern auch die realen Betriebsbedingungen, wie etwa Fertigungstoleranzen, Temperaturänderungen und Reibungsverluste, die das Verhalten des Lagers und des Rotors im Betrieb beeinflussen.

Die Ergebnisse dieser Untersuchung verdeutlichen, wie wichtig eine präzise Modellierung und Messung von Rotor-Lagersystemen für die Entwicklung von Energiespeichertechnologien ist. Jede Methode hat ihre eigenen Stärken und Einschränkungen, und es ist entscheidend, die richtigen Annahmen zu treffen und eine umfassende Analyse durchzuführen, um das tatsächliche Verhalten des Systems unter realen Betriebsbedingungen zu verstehen.

Wie die Reduzierung des Drehmomentverlusts von Schwungradspeichern die Effizienz von Energiespeichersystemen verbessert

• Messung der tatsächlichen axialen Lagerlast (mit Biegebalken und Dehnungsmessstreifen, wie in Abb. 10.16 dargestellt),

• Messung der Drehzahl (Laser-Kontrast-Sensor),

• Messung des Umgebungsdrucks (Pirani-Vakuumsensor),

• Messung verschiedener Temperaturen (Pt-100-Temperatursensoren),

• Messung der Beschleunigung am Lagersitz (Piezo-Beschleunigungssensoren),

• Messung der Schwingamplitude der Welle (Laser-Trinagulationssensor),

• Messung der axialen Auslaufgeschwindigkeit des Schwungrads (Laser-Trinagulationssensor).

Um den aerodynamischen Drehmomentverlust zu eliminieren, wurde der Prüfstand in eine Vakuumkammer integriert. Das Drehmoment zum Beschleunigen des Schwungrads wird durch einen Asynchronmotor und eine Magnetkupplung übertragen, die über eine Membran aus Glasfaser-Verbundmaterial wirkt. Die maximale Drehzahl beträgt 24.000 U/min.

Abbildung 10.18 zeigt den absoluten Drehmomentverlust des Schwungrads bei 1000 U/min und Umgebungsdruck, wobei der Anteil der aerodynamischen Verluste (Windage) durch eine blaue, halbtransparente Fläche markiert ist. Der niedrige Drehmomentverlust über den gesamten Drehzahlbereich ist entscheidend für die Effizienz und Selbstentladung des Schwungradspeichersystems, was wiederum Maschinen-Dynamiküberlegungen noch wichtiger macht.

Eine 5000 U/min Spin-Down-Kurve des Schwungrads zeigt eine deutliche Diskontinuität bei etwa 2500 U/min, was auf das Durchlaufen der Resonanzfrequenz des Systems hinweist. Diese Resonanzfrequenz wird durch die Messung der Schwingamplitude der Schwungradwelle bestätigt.

Im Vergleich zwischen Messung und Berechnung (Abb. 10.20) zeigen sich signifikante Unterschiede: Die einfachen Methoden von SKF und FAG unterschätzen die Reibungsverluste um den Faktor 2 bis 4, während die erweiterte SKF-Methode den fluiddynamischen Komponenten von höherer Leistung zu viel Bedeutung beimisst. Die Asymmetrie im Diagramm (Abb. 10.21, links) lässt sich durch gyroskopische Effekte und eine produktionsbedingte Anisotropie des gegossenen Silikons (Luftblasen) erklären. Auf der rechten Seite von Abb. 10.21 zeigt sich der Einfluss eines Unwuchses von 25 g, der am Schwungrad bei einem Radius von 100 mm (entspricht U = 4 g*mm) angebracht wurde. Der Einfluss des Unwuchses ist deutlich sichtbar, da er die Wellenoszillationen erheblich erhöht.

Neben der detaillierten Analyse des Drehmomentverlusts in Schwungradspeichersystemen und der präzisen Messung der verschiedenen physikalischen Größen im Prüfstand, ist es auch von Bedeutung, die langfristige Auswirkung auf die Lebensdauer und den Betrieb solcher Systeme zu berücksichtigen. Die Entwicklung von Technologien zur Reduktion von Reibungsverlusten und das Erreichen von optimierten Effizienzwerten stellt einen wichtigen Fortschritt dar, sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen. Die genaue Kenntnis des Drehmomentverlustes in verschiedenen Betriebsbereichen erlaubt es, Schwächen im System zu identifizieren und gezielte Verbesserungen durchzuführen. Bei der Entwicklung von Energiedampfern oder Flywheel-basierten Speichersystemen für Anwendungen wie Elektromobilität und schnelle Ladeinfrastruktur ist die Gewährleistung einer niedrigen Verlustleistung von zentraler Bedeutung.