Wie beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit und die Temperaturbeständigkeit von Faserverbundwerkstoffen die Leistung von Rotoren für mobile Energiespeichersysteme?

Die thermischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen spielen eine entscheidende Rolle bei der Konstruktion und Leistung von Rotoren, insbesondere in mobilen Energiespeicher-Systemen wie Schwungradspeichern. Besonders relevant ist die starke Richtungsabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit, wobei die Wärmeleitung entlang der Faser-Richtung typischerweise um den Faktor 10 höher ist als in der senkrechten Richtung zu den Fasern. Dies liegt hauptsächlich an den isolierenden Schichten der Matrix. Während Glas- und Kohlenstofffasern relativ gut Wärme leiten, erreicht das Epoxidharz als Matrixmaterial lediglich Werte von etwa 0,2 bis 0,3 W/mK. Im Vergleich dazu leitet weiches Stahl mit Werten von bis zu 60 W/mK deutlich besser Wärme.

Die thermische Leitfähigkeit von Faserverbundwerkstoffen in Faserrichtung und senkrecht dazu wurde für verschiedene Materialien zusammengefasst (Tabelle 7.4). So hat beispielsweise ein Graphit-Epoxid-Verbundstoff eine Wärmeleitfähigkeit von 5,36 W/mK in Faserrichtung, während der Wert senkrecht dazu nur zwischen 0,43 und 0,5 W/mK liegt. Diese Unterschiede sind besonders relevant für die Konstruktion von Rotoren, da eine geringe Wärmeleitfähigkeit der Matrixmaterialien zu lokalen Überhitzungen und damit zu einem Verlust der mechanischen Festigkeit führen kann.

Neben der Wärmeleitfähigkeit spielt der thermische Ausdehnungskoeffizient von Faserverbundwerkstoffen eine wesentliche Rolle. Während metallische Materialien einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 10 bis 15*10^-6 K^-1 aufweisen, können Faserverbundwerkstoffe wie Kohlenstofffasern sogar negative Werte zeigen. Dies hat direkte Auswirkungen auf die Auswahl des Materials für Welle und Nabe des Rotors, insbesondere im Hinblick auf die Gestaltung von Passungen und deren Verhalten bei Temperaturänderungen.

Darüber hinaus muss bei der Wahl der Materialien für Rotoren auch deren ferromagnetische Eigenschaften berücksichtigt werden. Für die Nutzung von Magnetlagern, die eine gewichtsparende Wirkung auf den Rotor haben, ist es notwendig, dass ein erheblicher Teil der Rotorfläche magnetisch aktiviert ist. Faserverbundwerkstoffe können von Natur aus nicht magnetisch angehoben werden, was ihre Verwendung in bestimmten Designs einschränkt. Es gibt jedoch polymerbasierte Materialien, die magnetische Eigenschaften aufweisen, sogenannte magnetisch geladene Verbundwerkstoffe (MLCs), die in speziellen Anwendungen wie im Gyrodrive von GKN zum Einsatz kommen.

Die Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit von Materialien für die Rotoren von Schwungradspeichern sind eng miteinander verbunden. Für den sicheren und effizienten Betrieb solcher Systeme muss die Wahl des richtigen Materials nicht nur auf dessen Festigkeit und thermische Eigenschaften abgestimmt sein, sondern auch auf die Fähigkeit, mechanische Belastungen zu widerstehen und Schäden frühzeitig zu erkennen.

Wie beeinflusst das Gehäuse das Versagen und die Energieübertragung eines FESS?

Das Gehäuse eines Fliegendehnungs-Speichersystems (FESS) spielt eine entscheidende Rolle beim Verhalten eines Rotors, insbesondere wenn es sich um einen faserverstärkten, anisotropen Verbundwerkstoff-Rotor handelt. In solchen Systemen kann das Versagen des Rotors zu einer drastischen Volumenvergrößerung führen, die wiederum das Gehäuse erheblich beansprucht. Ein zentraler Bestandteil des Gehäuses sind die sogenannten "S-Bügel", die an den inneren Stahlzylinder geschweißt sind und den Rotor während seiner Expansion bremsen, wobei mit zunehmendem Durchmesser die Kontaktkräfte zunehmen. Diese S-Bügel sollen dafür sorgen, dass der Composite-Rotor sicher in der Rotation gebremst wird, indem sie die Drehgeschwindigkeit „sanft“ reduzieren. Ein isotroper Stahl-Rotor wurde bislang nicht in diesem Gehäusekonzept getestet, jedoch scheint dies aufgrund der spezifischen Bruchmechanik wenig sinnvoll, da der Stahl-Rotor bei Bruch in zwei bis drei große, scharfkantige Fragmente zerfällt. Im Gegensatz dazu wurde das Gehäuse-Design mit faserverstärktem Verbundwerkstoff speziell für die „guten“ Bruchverhalten des Verbundrotors konzipiert, der eine größere Anzahl an Bruchfragmenten und weniger kinetische Energie in jedem Fragment aufweist.

Die Schilderung der Versagensmechanismen bei Verbundwerkstoff-Rotoren zeigt, dass diese Rotoren in drei grundlegende Versagensarten unterteilt werden können: Delaminierung, Fraktur und Rissbildung im Matrixmaterial. Die Delaminierung tritt bei Überschreitung der Betriebsgrenzen auf und kann zu starken Ungleichgewichten führen, die das System destabilisieren. Eine vollständige Fraktur oder das „Bersten“ des Rotors hingegen, besonders bei Overspeed oder Ermüdungserscheinungen, kann katastrophale Auswirkungen haben und die gesamte kinetische Energie in kurzer Zeit freisetzen. Diese Bruchmechanismen sind besonders relevant für das Design des Gehäuses, da sie die Art und Weise beeinflussen, wie das Gehäuse die auf den Rotor einwirkenden Kräfte absorbiert und verteilt.

Es ist zu beachten, dass die Gehäusekonstruktion auch den freien Drehmoment berücksichtigen muss, das durch die Massenträgheit der sich bewegenden Rotorfragmente entsteht. Das Modell zur Berechnung der Kräfte auf das Gehäuse berücksichtigt neben den Radialkräften auch den Einfluss der tangentialen Kräfte, die durch die Rotation des Rotors und das Zerbrechen der Verbundwerkstoffe erzeugt werden. In mobilen Anwendungen, bei denen der verfügbare Raum begrenzt ist, sollte der Abstand zwischen Rotor und Gehäuse so gering wie möglich gehalten werden, um Platz und Gewicht zu sparen. Dies führt dazu, dass die Geometrie des Gehäuses nicht nur aus mechanischen Sicherheitsgründen, sondern auch aus aerodynamischen und energetischen Gesichtspunkten optimiert werden muss.

Es ist von größter Bedeutung, dass bei der Gestaltung von FESS für mobile Anwendungen Konzepte entwickelt werden, die sowohl leicht als auch stabil sind, um den hohen Anforderungen an die Sicherheit und Leistungsfähigkeit gerecht zu werden. Das Gehäuse muss nicht nur den Aufprall der Rotorfragmente bewältigen, sondern auch das gesamte System so stabilisieren, dass es unter extremen Bedingungen wie plötzlichem Rotorversagen oder Überspannungen sicher funktioniert.

Wie können resilienten Lageraufnahmen in FESS zur Verbesserung der Lebensdauer und Effizienz beitragen?

Die zunehmende Bedeutung von Flywheel Energy Storage Systems (FESS) in modernen Energiespeichertechnologien erfordert eine detaillierte Betrachtung der Herausforderungen und Lösungsansätze, die mit den verwendeten Lagern und deren Auslegung verbunden sind. Insbesondere die Problematik der mechanischen Überlastungen und der damit verbundenen Beschädigungen von Wälzlagern stellt eine der größten Herausforderungen dar. Ein bemerkenswerter Aspekt dieser Problematik ist die hohe Temperaturentwicklung in den Lagern während des Betriebs, die sich negativ auf ihre Lebensdauer auswirken kann.

Eine häufige Ursache für diese starke Erwärmung ist die zu hohe interne Vorspannung der Lager, die zu einer übermäßigen Reibung führt, sowie das Vorhandensein von Unwuchten im System, die radiale Belastungen auf die Lager ausüben. Hinzu kommen ineffiziente Wärmeabfuhrmechanismen, wie sie bei Fett-Schmierung auftreten können, sowie der Betrieb der Lager nahe der Grenzdrehzahl. Auch hohe Viskositätsverluste aufgrund einer unzureichenden Schmierstoffmenge tragen zur Überhitzung bei. Diese Faktoren führen nicht nur zu einer Beschädigung der Lagerelemente, sondern verringern auch die Effizienz des gesamten FESS-Systems.

Um diesen Problemen entgegenzuwirken, wurde der Einsatz von resilienten Lageraufnahmen entwickelt, die gezielt auf diese Herausforderungen reagieren. Eine solche Lösung kann die Resonanzgeschwindigkeit des Systems nach unten verschieben, sodass das Passieren durch die Resonanzzone ein weniger energieintensiver Prozess wird. Dies geschieht durch die Einführung von elastischen Dämpfungselementen, die die radiale Belastung auf die Lager reduzieren und somit deren Lebensdauer verlängern. Die natürliche Frequenz des Systems wird durch diese Konstruktionen so angepasst, dass sie außerhalb des Betriebsgeschwindigkeitsbereichs des FESS liegt, was die Gefahr des Auftretens von Resonanz verringert und damit auch die mechanischen Belastungen der Lager.

Die Konstruktion resilienter Lageraufnahmen kann auf verschiedene Weise erfolgen, sei es durch elastomerische Dämpfer, durch flexible Metallstrukturen oder auch durch Ölfilmdämpfer. Diese Lösungen sind jedoch nicht ohne Kompromisse, da stets ein Gleichgewicht zwischen Schwingungsisolierung und Dämpfung gefunden werden muss. Aktive Maßnahmen wie Piezo-Aktoren oder Squeeze-Öl-Dämpfer, die auch in der Turbomaschinenindustrie zum Einsatz kommen, haben in FESS-Anwendungen bisher aufgrund ihres hohen Kosten- und Entwicklungsaufwands eher geringe Bedeutung erlangt. Jedoch bieten diese Technologien theoretisch zusätzliche Möglichkeiten zur Feinjustierung der Schwingungseigenschaften der Lager.

Das LESS-Testsystem, das für die Untersuchung aktiver und passiver Dämpfungselemente entwickelt wurde, zeigt, wie flexibel solche Lösungen gestaltet werden können. Dabei kommen verschiedene Messtechniken zum Einsatz, wie etwa Piezo-Kraftsensoren und Beschleunigungsmesser, um die Schwingungsdämpfung und die mechanischen Eigenschaften der Lageraufnahmen zu untersuchen. Die Tests ermöglichen eine präzise Anpassung der Dämpfungs- und Resilienzeigenschaften, um die mechanischen Überlastungen der Lager zu reduzieren und die Effizienz des gesamten FESS-Systems zu steigern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung resilienter Lageraufnahmen eine entscheidende Rolle in der Optimierung von FESS spielt. Diese technologischen Entwicklungen tragen nicht nur zur Verlängerung der Lebensdauer der Wälzlager bei, sondern verbessern auch die Gesamtperformance des Energiespeichersystems. Das Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Komponenten eines FESS und die gezielte Steuerung der Lageraufnahmen sind daher unerlässlich, um die Effizienz und Wirtschaftlichkeit solcher Systeme zu maximieren.