Solar Flywheel Machbarkeitsstudie über dezentrale Low-Cost Schwungradspeicher

Zu Beginn des Projektes wurde eine maschinenbauliche Vorauslegung und Evaluierung möglicher Systemdesigns und dessen Kernkomponenten durchgeführt. Unterstützt wurde diese Auslegung durch Untersuchungen von Einzelkomponenten wie z.B. der Vakuumpumpe oder des Spindelantriebes am Prüfstand. Des Weiteren wurde eine Analyse von Anwendungsmöglichkeiten des Speichersystems und deren Randbedingungen durchgeführt. Mit Hilfe der dabei erarbeiteten Erkenntnisse wurde ein grundlegender Systementwurf für eine LCSS-Anlage erstellt. Des Weiteren wurde auf Basis einer Marktrecherche zu in Frage kommenden Komponenten eine Datenbank mit möglichen, bereits am Markt vorhandenen relevanten Systemkomponenten erstellt. Das entworfene Systemkonzept wurde einer Wirtschaftlichkeitsanalyse unterzogen, indem die aktuellen Komponentenkosten zusammengestellt wurden sowie über eine eingehende Recherche die Abschätzung der Systemkosten für eine mögliche Serienproduktion erfolgte. Im Weiteren folgte eine analytische Auslegung des Systementwurfs unter Verwendung von entsprechenden Herangehensweisen der technischen Entwicklungsmethodik sowie eines vollständigen Simulations- und Analysemodells einer LCSS-Anlage in Matlab Simulink sowie C++.

Unterstützend erfolgte die Verifizierung der Machbarkeit eines im Projekt entwickelten Lagerkonzeptes mit Hilfe einer im Projekt entworfenen Versuchsanordnung am Prüfstand. Die erfolgreiche Konstruktion und Fertigung dieses Komponentenprüfstands stellte eines der Highlights dieses Projektes dar, brachte aber auch Herausforderungen mit sich, welche im Projekt zu Verzögerungen führten. Aufgrund von Lieferproblemen des Werkstoffherstellers konnte die Herstellung des Unterdruckbehälters erst verspätet abgeschlossen werden. Der erfolgreiche Einsatz der Versuchsanordnung ermöglichte jedoch die Aussage über systemkritische Eigenschaften des Lagerkonzeptes, über die eine Machbarkeit des LCSS-Ansatzes erst verifiziert werden konnte. Ein weiteres Highlight war die Veröffentlichung eines Papers im Rahmen einer internationalen IEEE Konferenz.

Das vorliegende Sondierungsprojekt hat gezeigt, dass eine Low-cost, Low-tech Lösung für ein stationäres Flywheel zur Tag-Nacht Speicherung von erneuerbarer Energie möglich ist. Jedoch sind für eine zukünftige Konkurrenzfähigkeit gegenüber chemischen Speichertechnologien weitere Forschungen bezüglich der kostendominierenden Komponenten notwendig.

Der Einsatz des im Projekt erarbeiteten Systementwurfs ist aus aktueller Sicht für Neuplanungen sowie für Nachrüstungen gleichermaßen geeignet. Das Anlagendesign erlaubt es, den LCSS in unterschiedlichen Anwendungsgebieten einzusetzen und auf die spezifischen Randbedingungen anzupassen. Durch die externe Anordnung der E-Maschine kann die Speicherleistung mit geringen Modifikationen problemlos variiert werden. Bezüglich des Energieinhalts ist es möglich, den Rotor und die damit zusammenhängenden Systemkomponenten auf die erforderliche Größe zu skalieren. Die Grenzen der Skalierbarkeit werden dabei durch die wirtschaftlich verfügbaren Fertigungsanlagen für den Rotor vorgegeben. Für größere Energieinhalte kann das LCSS-System multipliziert eingesetzt werden.

Eine Handlungsempfehlung für die Reduktion der Verluste, liegt in der Optimierung der Lagerung der externen Antriebsspindel. Der hierfür eingesetzte Motor aus der Großserie ist für Fräsarbeiten gedacht und weist eine großzügig dimensionierte, angestellte Lagerung auf. Um eine spielfreie, exakte Führung zu erreichen sind die Schrägkugellager axial vorgespannt, was in erhöhten Reibungsverlusten resultiert. Der Durchmesser der Lager der gewählten 2,2 kW-Spindel beträgt 30 mm, wodurch das Verlustmoment deutlich höher ist, als bei der beinahe 300 kg schweren Schwungmasse. 

Die aktuelle Konfiguration sieht die erste Eigenfrequenz der Schwungmasse bei ca. 800 Upm vor. Es ist jedoch ratsam noch weitere Versuche durchzuführen, um die ideale Konfiguration für geringste Verluste zu ermitteln. Dies beinhaltet eine Variation des Entlastungsmechanismus, um Wirbelstromverluste zu minimieren, sowie eine Variation der Steifigkeit des Lagersitzes um eine optimale Resonanzdurchfahrt zu ermitteln.