Foto: Wohnhaus der SolarCity

LTS-Flywheel als 12h-Energiespeicher: Neue Ansätze zur Erhöhung der wirtschaftlich nutzbaren Speicherzeit und Sicherheit

Entwickelt wurden die Grundlagen für ein Long Term Storage (LTS)-Flywheel zur dezentralen Zwischenspeicherung von elektrischer Energie (z.B. aus Windkraft- oder PV-Anlagen), mit wesentlich höherer Speicher­zeit (Ziel: 12h) und Betriebssicherheit bei geringen Systemkosten. Dieses Projekt stellt die Basis für einen weiteren Schritt Richtung Plus-Energie-Haus dar.

Kurzbeschreibung

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Ausgangssituation/Motivation

Flywheels stellen eine ökologisch, ökonomisch und sozial nachhaltige Technologie zur dezentralen Energiespeicherung dar. Sie weisen gegenüber anderen Speichertechnologien, beispielsweise Akkumulatoren, eine wesentlich längere Lebensdauer (über 25 Jahre), Wartungsfreiheit und unbedenkliche, leicht verfügbare Werkstoffe auf. Bisher verfügbare Flywheels sind beschränkt auf eine kurzfristige Speicherung der Energie im Bereich weniger Minuten.

Inhalte und Zielsetzungen

Die technologische Herausforderung im Rahmen dieses Forschungs­projekts war es, die Grundlagen für einen Innovationssprung – Long Term Storage-Flywheel – zu entwickeln. Das Ziel war, eine wesentliche Erhöhung der Speicherzeit: 12 Stunden bei 80 % Ladewirkungsgrad. Zusätzlich wurden eine hohe Betriebssicherheit und geringe System­kosten als Projektziele definiert. Das LTS-Flywheel soll die dezentrale Zwischenspeicherung von elektrischer Energie, beispielsweise aus hauseigenen Photovoltaikanlagen, ermöglichen. Es stellt damit einen wesentlichen Beitrag zur Schaffung der technologischen Basis für das Gebäude der Zukunft, insbesondere dem Plus-Energie-Haus dar.

Methodische Vorgehensweise

Zur Erreichung der Forschungsziele wurden folgende Schwerpunkte gesetzt:

  • Forschungsschwerpunkt - vollparametrisches Gesamt­simulationsmodell
    Entwicklung eines vollparametrischen Gesamtsimulationsmodells zur Optimierung eines Flywheels hinsichtlich eines definierbaren Gütefunktionals: Definition aller zur Optimierung erforderlichen Parameter, Erfassung aller Kopplungen, Modellierung aller Komponenten als MATLAB/Simulink Simulationsmodelle optimiert hinsichtlich geringstem Rechenaufwand.

  • Forschungsschwerpunkt Lagerung
    Erforschung der Grundlagen für eine magnetische Lagerung mit wesentlich höherer Energieeffizienz als bisherige Magnetlager­systeme und hoher Betriebssicherheit – kaskadiertes Hybridmagnet­lagersystem mit hoher Betriebssicherheit zur radialen und axialen Stabilisierung. Dieses besteht aus

    • einem hocheffizienten Primärmagnetlager mit Permanent-magnet-Zweig zur Aufbringung statischer Axiallager­kräfte,
    • Hocheffizienz-AMB (Active Magnetic Bearing) für minimalen Energiebedarf im Regelbetrieb mit volladaptiver Regelung,
    • im Bedarfsfall automatischer Umschaltung in einen Hochleistungs-AMB-Betriebsmodus für Anlauf,
    • Abfangen externer Störkräfte (z.B. Erdbeben) oder Notlauf,
    • sowie redundanten Hochleistungs-AMB-Systemen für den Fall eines Stromnetzzusammenbruchs oder das Auftreten einer Fehlfunktion des primären Hocheffizienz/Hochleistungs-AMB.
  • Forschungsschwerpunkt Rotor
    Entwicklung der Grundlagen für eine optimale Auslegung eines Rotors hinsichtlich hoher Energiespeicherfähigkeit, geringer erforderlicher Regeleingriffe in der Lagerung, Integration aller erforderlichen Lager- und Motor/Generator-Komponenten sowie bester Werkstoffaus­nutzung (Elastizitätsmodul, Dichte, Zugfestigkeit, etc.) unter Betrachtung des Rotoraufbaus (Eigenfrequenzen, Werkstoffkombina­tionen, Wickel- bzw. Laminierungstechnik, Material- und Herstell­ungskosten, erzielbare Wuchtgüte, etc.)

  • Exemplarische Optimierung als 12h-Speicher für Photovoltaikanlagen
    Exemplarische Optimierung des Gesamtsystems als LTS-Flywheel mit 12h-Speicherdauer für Photovoltaikanlagen mittels MATLAB/Simulink Simulation des Gesamtsystems.

  • Experimentelle Validierung der Forschungsergebnisse
    Validierung der Forschungsergebnisse mit Hilfe eines laut dem Optimierungsergebnis konstruierten und gefertigten Messaufbaus. Untersuchung der Gesamtverlustleistung bei diversen Betriebszu­ständen, Verhalten bei plötzlich erforderlichen hohen Lagerkräften sowie bei eingebrachten Bauteilfehlern oder bei Netzausfall.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Im Rahmen des Projekts konnte ein Innovationsprung hinsichtlich wesentlich höherer Energieeffizienz und damit längerer Speicherdauer, höherer Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie geringerer Systemkosten im Vergleich zu kommerziell verfügbaren Flywheels erzielt werden.

Die Entwicklung des LTS-Flywheel-Konzepts wurde durch einen globalen Simulations-, Auslegungs- und Optimierungsansatz in Verbindung mit einer detaillierten Modellierung aller Komponenten sowie innovativen Lösungen im Bereich der magnetischen Lagerung, des Rotors und der kompletten Elektronik möglich. Bei annähernd allen Einzelkomponenten mussten neue Wege beschritten bzw. neue Konzepte erarbeitet werden, um die Projektziele bestmöglich zu erfüllen.

Die im Rahmen des Projekts erarbeiteten Ergebnisse zeigen weiters ganz eindeutig das hohe Energieeinsparungspotential, das im Bereich der kompletten Elektronik-Kette (Signal-erfassung, Regelung, Leistungs­elektronik, Stromversorgung) liegt.

Ausblick

Die Ergebnisse dieses Projekts dienen als Basis für das FFG-Forschungs­projekt "Optimum Shape Flywheel". Hierin erfolgt die weiterführende Forschung hinsichtlich optimaler Schwung-massenformgebung und erforderlichen Fertigungstechniken.

Publikationen

LTS-Flywheel als 12h-Energiespeicher

Neue Ansätze zur Erhöhung der wirtschaftlich nutzbaren Speicherzeit und Sicherheit
Schriftenreihe 9/2015 A. Schulz, H. Sima, Herausgeber: bmvit
Deutsch, 139 Seiten

Downloads zur Publikation

Projektbeteiligte

Projektleiter

Dipl.-Ing. Dr.techn. Alexander Schulz
Technische Universität Wien, Institut für Mechanik und Mechatronik

Kontaktadresse

Technische Universität Wien, Institut für Mechanik und Mechatronik
Abteilung 4: Messtechnik und Aktorik
Dipl.-Ing. Dr.techn. Alexander Schulz
Wiedner Hauptstrasse 8-10/E325
A-1040 Wien
Tel.: +43 (1) 58801-30313
Fax: +43 (1) 58801-30399
E-Mail: alexander.schulz@tuwien.ac.at
Web: www.mec.tuwien.ac.at

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