Kinetische Speicher

Zum aktuellen Zeitpunkt werden kinetische Energiespeicher lediglich in Nischenanwendungen eingesetzt. Forschungsbedarf besteht hinsichtlich der Komplexität der Systeme, den daraus resultierenden hohen Investitionskosten und energetischen Verlusten. Wir arbeiten daran, das technologische Potential in eine breite wirtschaftliche Anwendung zu überführen.

Kinetischer Speicher

In kinetischen Energiespeichersystemen wird elektrische Energie über eine elektrische Maschine in kinetische Energie der Rotation einer Schwungmasse gewandelt. Das System unterliegt dabei nur geringer kalendarischer und zyklenabhängiger Alterung, was einer der entscheidenden Vorteile dieser Speichertechnologie ist.

Der Energieinhalt des Systems ist linear abhängig von der Trägheit der Schwungmasse und quadratisch von der Drehfrequenz. Daher kann der Energieinhalt über hohe Drehzahlen und Schwungmassen mit großem Trägheitsmoment zielführend erhöht werden. Der Einsatz berührungsfreier Magnetlager und die Evakuierung des Systems ermöglichen hohe Maximaldrehzahlen bei gleichzeitig geringen Verlusten und Verschleißfreiheit. Drehzahlgrenzen resultieren aus der hohen Fliehkraftbelastung sowie der dadurch entstehenden Aufweitung des Rotors. Durch den Einsatz von Schwungmassen aus Faserkunststoff-Verbunden gelingt es die Auslastung der Schwungmasse zu erhöhen und größere Energiemengen in einem System zu speichern.

Ziel unserer Forschung ist die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit dieser Systeme durch weitere Erhöhung der Energie- und Leistungsdichte bei einer gleichzeitigen Reduzierung der auftretenden energetischen Verluste. Hochintegrierte Konzepte, wie die Bauform als Außenläufer, werden erforscht und in Form von Demonstratoren im realen Einsatz getestet. Innovationen werden sowohl auf Komponenten- als auch auf Systemebene angestrebt. Neben den Gesamtsystemdemonstratoren wurden daher dedizierte Komponentenprüfstände für planetare Fanglagerkonzepte, Dauerfestigkeitsprüfung von Kohlefaserrotoren sowie aktive Magnetlager entwickelt.

Orbit aus Simulation

Um die Verluste der kinetischen Energiespeicher zu reduzieren, kommen zur Lagerung meist Magnetlager zum Einsatz. Da ein Ausfall oder eine Überlast der Magnetlager zu starken Beschädigungen des Systems führen kann, wird eine zusätzliche mechanische Rückfallebene, die sogenannte Fanglagerung, in das System eingebracht. Die Fanglager müssen einen ungewollten Rotor-Stator-Kontakt verhindern und ein sicheres Auslaufen des Systems gewährleisten.

Kinetische Energiespeicher in Außenläuferbauform stellen dabei eine besondere Herausforderung für Fanglagersysteme dar, da sie sowohl sehr große Oberflächengeschwindigkeiten am Kontaktpunt der Fanglager erreichen können als auch eine große Trägheit besitzen. Da konventionelle Fanglager nicht einsetzbar sind, kommt ein spezielles planetares Fanglagersystem zum Einsatz, bei dem mehrere Rollen am Umfang des Stators verteilt angebracht sind. Zur Weiterentwicklung dieses Konzeptes wird sowohl die am IMS entwickelte Mehrkörpersimulationsumgebung ANEAS eingesetzt, um das nichtlineare Verhalten bei einem Fanglagerabsturz vorherzusagen, als auch ein speziell entwickelter Fanglagerprüfstand, der das sichere und kostengünstige Erproben von Abstürzen unter Realbedingungen ermöglicht.

Planetare Fanglagerungen werden unter anderem im Projekt KoREV-SMS II untersucht.

Berechnete Spannungsverteilung in einer Probe

Beim Laden und Entladen der kinetischen Energiespeicher wird die Schwungmasse beschleunigt und abgebremst. Hierdurch variiert die mechanische Belastung der Schwungmasse, was auf lange Sicht zu einem Ermüdungsversagen des Materials führen kann. Trotz der sehr großen Anzahl der vom Material ertragbaren Schwingspiele ist es für die Auslegung der Rotoren von zentraler Bedeutung, die genaue Betriebsfestigkeitsgrenze bestimmen zu können, um die gespeicherte Energie maximieren und Sicherheitsgehäuse dimensionieren zu können.

Zu diesem Zweck können standardisierte Materialprüfungsversuche herangezogen werden. Diese können jedoch nicht alle Einflussfaktoren der realen Systeme, wie die Überlagerung verschiedener Spannungszustände oder die hohe Materialdicke, abbilden, sodass sie keine exakte Aussage über die Betriebsfestigkeit des späteren Rotors zulassen. Aus diesem Grund wurde am IMS ein Schleuderprüfstand entwickelt, mit dem die Zyklenfestigkeit von dickwandigen Hohlzylindern aus Faserkunststoffverbund getestet werden kann. Zur Reduzierung der Kosten und Testdauer erfolgt die Prüfung mittels eines skalierten, magnetgelagerten Stellvertreterprüfstandes. Im Zeitraffer wird der Lebenszyklus eines kinetischen Energiespeichers innerhalb von zwei bis drei Monaten durchfahren. Des Weiteren wird der Prüfstand zur zerstörenden Prüfung der Rotoren genutzt, wobei besonders das Berstverhalten von Interesse ist.

Die Dauerfestigkeit von Faser-Verbund-Rotoren wird unter anderem im Projekt KoREV-SMS II untersucht.

Endstufe und Spindel

Ein Schwerpunkt der Komponentenentwicklung liegt auf aktiven Magnetlagern, die speziell auf die Anwendung in kinetischen Energiespeichern zugeschnitten sind. Im Kontext der Außenläuferbauform entstehen neue Herausforderungen im Bereich der Regelung, Ansteuerung, Positionserfassung sowie der Vormagnetisierung solcher Lager.

Im Bereich der Regelung spielt die Beeinflussung des drehzahlabhängigen Rotorverhaltens eine entscheidende Rolle. Die hohen Drehzahlen der Systeme führen zu einer radialen Aufweitung des Rotors, wodurch Eigenschaften der Magnetlager drehzahlabhängig werden. Dies hat Einfluss auf die Rotordynamik und damit den Betriebsbereich der Systeme. Gleichzeitig ist die Unwucht der Rotoren, bedingt durch den großen Rotordurchmesser und Fertigungstoleranzen, groß. Diese erzeugt drehzahlabhängige, gyroskopische Kräfte, die von den Magnetlagern kompensiert werden müssen, wodurch die Stellaktivität der Lager erhöht und damit die Effizienz des Systems verringert wird. Eine Kompensation dieser drehzahlabhängigen Einflüsse durch geeignete Regelungsansätze wird derzeit am IMS untersucht.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt sind sensorlose Magnetlager. Ein Magnetlager besteht in der Grundstruktur aus einem Aktor (Elektromagnet), einem Sensor zur Positionserfassung, einem Regler und dem Rotor. Die Anforderungen an die Positionserfassung sind dabei hohe Auflösungen im µm-Bereich, hohe Bandbreiten sowie ein geeigneter Messbereich, wodurch hohe Anschaffungskosten für diese Komponenten entstehen. Durch eine sensorlose Lagerung entfallen diese Kosten. Gleichzeitig sinkt die Ausfallwahrscheinlichkeit, da die Anzahl der Systemkomponenten reduziert wird. Am IMS wurde ein praxistaugliches Schätzverfahren entwickelt und umgesetzt, welches kostengünstig mit Standardkomponenten, die in der Magnetlagerendstufe ohnehin verbaut sind, die Position aus den Magnetlagereigenschaften bestimmt.

Großes Potential zur Effizienzsteigerung der Magnetlager bietet die Verwendung einer permanentmagnetischen Vormagnetisierung. Die Vormagnetisierung der Lager ist notwendig, um eine hinreichend große Kraftdynamik zu erzeugen. Stand der Technik ist die Erzeugung der Vormagnetisierung über Vormagnetisierungsspulen. Durch die konstante Bestromung der Spule wird dabei eine hohe Verlustleistung erzeugt. Am IMS werden Konzepte zur permanentmagnetischen Vormagnetisierung untersucht. Sowohl analytische als auch numerische Modelle zeigen, dass durch eine permanentmagnetische Vormagnetisierung eine Verlustreduktion bei den Magnetlagern von bis zu 80% möglich ist, wodurch die Energieeffizienz des Gesamtsystems deutlich erhöht wird.

Neue Magnetlagerkonzepte werden unter anderem im Projekt KoREV-SMS II untersucht.

Aktuelle Projekte

Abgeschlossene Projekte