1. Schwungradentwicklung in den letzten vierzig Jahren
    1. Ausgeführte und geplante Anlagen
    2. Den Anfang der modernen Schwungradtechnik machte 1950 die schweizer Firma Örlikon. Sie baute einen mobilen Schwungradenergiespeicher zum Einsatz in Nahverkehrsbussen. Der Speicher wurde an jeder Haltestelle über das öffentliche Stromversorgungsnetz aufgeladen und hatte unter Ausnutzung von Bremsenergierückspeisung einen Aktionsradius von 3,5 km. Sein Speicherinhalt betrug 9,15 kWh.

      Die mit diesem Schwungrad ausgerüsteten "Gyrobusse" wurden bis 1969 im Linienverkehr eingesetzt. Das Schwungrad aus Stahl war als Scheibe gleicher Festigkeit mit äußerem Kranz ausgelegt und lief zur Verringerung der Luftreibungsverluste in einer Wasserstoffatmosphäre. Der Befestigung der angeflanschten Wellenenden wurde sehr viel Aufmerksamkeit geschenkt. Da die Flansche elastisch ausgeführt waren, wurde eine Spannungskonzentration am Übergang von den Flanschen zum Schwungrad vermieden.

      Bild 4: Schwungradanlage des "Gyrobusses" für mobilen Einsatz [1]

      Am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching wurde 1974 ein stationärer Schwungradspeicher zur Bereitstellung von 155 MW Leistung für einen Zeitraum von 10-15 s für Fusionsexperimente aufgestellt. Das Schwungrad besteht aus vier geschmiedeten Stahlscheiben konstanter Dicke, die auf eine gemeinsame Welle aufgezogen sind. Der maximale Energieinhalt beträgt 1000 kWh. Aufgrund der kurzen Laufzeit und des vorherbestimmten Einsatzzeitpunktes der Anlage wird auf eine evakuierte Atmosphäre verzichtet, was bei einer Drehzahl von 1650 min-1 zu Luftreibungsverlusten von 650 kW führt [5,6].

      Die Firmen Garret und General Electric entwickelten Ende der siebziger Jahre Schwungradenergiespeicheranlagen mit Stahlschwungrädern zur Rückgewinnung von Bremsenergie für den mobilen Einsatz. Beiden Anlagen ist gemeinsam, daß die Schwungräder aus mehreren dünnen Scheiben zusammengesetzt sind. Bei dem Schwungrad von General Electric wird eine Scheibe gleicher Festigkeit mit äußerem Kranz benutzt [1].

      MAN entwarf 1978 im Auftrag des Bundesministerium für Forschung und Technologie eine stationäre Schwungradenergiespeicheranlage, die zur Bremsenergiespeicherung an einer Gefällestrecke der Stuttgarter S-Bahn konzipiert wurde. Mit einem maximalen Energieinhalt von 36 kWh kommt dieser Entwurf dem Inhalt von 50 kWh für die in dieser Studie zu entwerfende Schwungradanlage recht nahe. Das Schwungrad ist als Stahlscheibe gleicher Festigkeit mit äußerem Kranz bei einer Masse von 5 t ausgelegt. Seine Höchstdrehzahl beträgt 2800 min-1 in einer Luftatmosphäre mit einem Druck von 10 mbar. Das um die Vertikalachse rotierende Schwungrad ist durch ein hydrostatisches Axialtraglager gelagert und wird durch ein Zylinderrollenlager und ein Kugellager radial geführt. Die Lagersitze der Radiallager sind zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften elastisch mit dem Gehäuse verbunden und können beim Durchfahren der kritischen Eigenfrequenzen hydraulisch verspannt werden. Zudem ist ein Axial-Pendelrollenlager als Notlager vorgesehen, auf welches das Schwungrad aufsetzt, falls das hydrostatische Lager ausfällt. Da die MAN-Anlage nicht realisiert worden ist, liegen jedoch keine Betriebserfahrungen vor [7].

      Im Gegensatz dazu hat Mitsubishi 1981 und 1988 zwei Schwungradspeicheranlagen tatsächlich gebaut, die zur Bremsenergierückgewinnung und Spannungsstabilisierung an einer Eisenbahnstrecke eingesetzt werden.

      Die Anlage der ersten Generation hatte eine vertikale Welle, auf die die Schwungscheibe konstanter Dicke aufgezogen war. Bei einer Masse von 10 t und einer Drehzahl von 1600 min-1 hatte das Schwungrad einen Energieinhalt von 19 kWh. Die Lagerung bestand aus einem hydrostatischen Axiallager für den Betrieb, einem hydrostatischen Axiallager für den Notlauf, einem axialen Magnettraglager und einem Doppelreihenkonuslager zur radialen Führung. Das Schwungradgehäuse war mit Luft bei einem Druck von 10 mbar gefüllt, während die Gleichstrommaschine der Luft bei Umgebungsdruck ausgesetzt war. Das führte trotz kurzer Speicherzeiten zu einem Wirkungsgrad von nur 70 % [8].

      Diese Versuchsanlage absolvierte den Probebetrieb unter realen Bedingungen zufriedenstellend. Bei der Anlage der zweiten Generation werden die Luftreibungsverluste durch den Einsatz einer Drehstrommaschine, die zusammen mit dem Schwungrad in einer Heliumatmosphäre rotiert, verringert. Das Schwungrad selbst ist ein 13,7 t schwerer Massivzylinder mit horizontaler Welle, das mit hydrostatischen Radiallagern gelagert ist. Der Übergang von vertikaler zu horizontaler Welle geschah aus Platzgründen, denn die Anlage ist unter der aufgeständerten Bahnlinie installiert. Der Energieinhalt konnte bei einer Drehzahl von 3000 min-1 auf 50 kWh gesteigert werden.

      An der Technischen Universität Braunschweig wurde 1982 im Rahmen einer Dissertation der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen für Schwungräder theoretisch und experimentell untersucht. Besonderes Augenmerk wurde der Auslegung der elektrischen Maschine gewidmet. Das Ergebnis ist ein Prototyp einer permanentmagneterregten Synchronmaschine in Außenläuferbauweise [9].

      Die Firma Magnet-Motor in Starnberg entwickelte den "Magnetdynamischen Speicher", ein Hohlzylinderschwungrad aus glasfaserverstärktem Kunststoff, in dessen Inneren eine Permanentmagnetmaschine integriert ist. Die Rotormasse wird durch eine magnetische Lagerentlastung weitgehend getragen. Bei einer Drehzahl von 11.000 min-1 enthält der "Magnetdynamische Speicher" eine Energie von 2,75 kWh. Der Speicher wurde 1988 in Nahverkehrsbussen von MAN und Neoplan von den Münchner Stadtwerken getestet [5]. Über die Ergebnisse und weiteren Entwicklungen der Firma Magnet-Motor liegen leider keine Informationen vor, da die Firma auf eine schriftliche Anfrage von seiten des Autors nicht reagiert hat.

      Von der Firma Aerospatiale werden serienreife Schwungradspeicheranlagen für geregelte Notstromversorgungen von Fernmeldeeinrichtungen, Krankenhäusern und kerntechnischen Anlagen angeboten. Eines dieser Modelle mit einem 350 kg schweren Rotor aus Faserverbundkunststoff speichert 1 kWh und ist vollmagnetisch gelagert [10].

      Das 1988 an der University of Ottawa entwickelte Schwungradspeichersystem dient der Speicherung von photovoltaisch erzeugtem Strom zum Betrieb von Signaleinrichtungen im Küstenschutz. Das Schwungrad besteht aus einer Aluminiumnabe und einer Schwungmasse aus glasfaser- und kohlefaserverstärktem Kunststoff und wiegt 186 kg. Der Energieinhalt beträgt bei 23.000 min-1 rund 8,5 kWh [10].

      Einen ganz anderen Weg beschreitet das Rutherford Appleton Laboratory in Großbritannien. Hier wird der Einsatz von Schwungradenergiespeichern in Verbindung mit Windenergie untersucht. Dem Inselbetrieb von Windenergieanlagen kommt dabei eine wichtige Rolle zu. So wurde in einer Versuchsanlage eine Windkraftanlage mit einer Nennleistung von 45 kW, ein Dieselgenerator und ein Schwungradenergiespeicher zusammen betrieben. Das Schwungrad überbrückt dabei Windlöcher im Minutenbereich und vermeidet dadurch häufige Starts des Dieselgenerators. Durch die kurzen Schaltzeiten des Schwungradspeichers, die im Millisekundenbereich liegen, werden zudem Leistungsfluktuationen aufgrund von Windböen vermindert [11].

      Andere Untersuchungen des Rutherford Appleton Laboratory beschäftigen sich mit der Anbindung von Windenergieanlagen und Windparks über gering dimensionierte Leitungen an entfernte Verbundnetze, wenn an derselben Anbindung noch Verbraucher liegen. Hier kann mit geringen Speicherleistungen eine beträchtliche Absenkung von Spannungsflackern im Netz erreicht werden [12].

      Eine Außenseiterrolle nimmt das Konzept von R.V. Harrowell ein. Er schlägt einen Schwungring aus Naturkautschuk vor, dessen Durchmesser sich unter Fliehkraftbelastung um mehrere hundert Prozent vergrößert. Durch das sich vergrößernde Massenträgheitsmoment ändert sich die Drehzahl dabei nur um wenige Prozent. Dadurch ist es bei geeigneter Auslegung möglich, Strom ohne Frequenzumrichtung ins Versorgungsnetz einzuspeisen. Interessant sind auch die geringen Materialkosten von Naturkautschuk. Allerdings werden dynamische Aspekte in diesem Konzept nicht betrachtet, welche vermutlich zu erheblichen Unwuchtproblemen führen werden [13].

      Die University of Maryland in den USA beschäftigt sich schon seit den siebziger Jahren mit Schwungrädern aus Faserverbundkunststoffen. 1992 wurde hier ein Prototyp einer Schwungradspeicheranlage für den Einsatz in einem Satelliten entwickelt, der sich in einer erdnahen Umlaufbahn befindet. Während des 60-minütigen Intervalls, in dem der Satellit auf der sonnenzugewandten Seite der Erde fliegt, wird das Schwungrad mit Solarstrom aufgeladen und versorgt während der 30-minütigen Dunkelheitsphase die Bordgeräte mit Strom.

      Bild 5: Schnittbild eines vollmagnetisch gelagerten Schwungrades für die Raumfahrt [14]

      Der Speicher hat eine Kapazität von 1,3 kWh bei einer Drehzahl von 80.000 min-1. Das Schwungrad besteht aus einer hohlen Aluminiumnabe und fünf Hohlzylindern aus aufgewickeltem kohlefaserverstärktem Kunststoff. Es hat bei einem Durchmesser von 25 cm und einer Höhe von 21 cm eine Masse von 15,2 kg. Die Hohlzylinder sind jeweils mit einem Kegelpreßsitz ineinander gefügt. Bei der Rotation treten in den Zylindern hauptsächlich axiale Zugspannungen, also in Faserrichtung, auf. Doch die sehr viel kleineren radialen Zugspannungen wirken senkrecht zur Faserrichtung und sind daher kritischer für die Schwungradfestigkeit. Durch den Preßsitz werden radiale Druckspannungen erzeugt, welche die durch Rotation entstehenden Zugspannungen verringern.

      Im Innern der Nabe sind die berührungslose Permanentmagnetmaschine und zwei Magnetlager integriert. Permanentmagnete halten das Schwungradgewicht in axialer Richtung und Elektromagneten regeln aktiv die radiale Position des Schwungrades [14].

      Ebenso seit den siebziger Jahren betreibt auch das Lawrence Livermoore Laboratory in den USA Schwungradforschung. Es hat 1995 mit der Entwicklung der "Electromechanical Battery" begonnen. Das Konzept ähnelt stark dem zuvor beschriebenen Schwungrad. Es soll auch aus ineinandergeschobenen Hohlzylindern bestehen, die aber durch elastische Separatoren voneinander getrennt und nicht durch einen Preßsitz verbunden sind. Auf eine Nabe aus Metall soll verzichtet und statt dessen Stabmagneten in den innersten Hohlzylinder eingebettet werden. Der Stator soll sich, durch eine Hülle aus Glaskeramik von dem Schwungrad getrennt, außerhalb des Vakuums an der Umgebungsluft befinden. Auch sollen bessere und kostengünstigere Magnetlager entwickelt werden [15].

      Bild 6: Projektiertes Schwungrad aus Faserverbundwerkstoff mit vollmagnetischer Lagerung und einem Energieinhalt von 1 kWh bei einer Spitzenleistung von 250 kW [16]

      Auch an der ETH Zürich wird momentan an der Schwungradtechnologie geforscht. Vorläufiges Ergebnis dieser Forschung ist das in Bild 6 gezeigte Schwungrad. Interessant an dieser Schwungradanlage ist die Gestaltung der elektrischen Maschine und die vollmagnetische Lagerung.

      In bezug auf die magnetische Lagerung von Schwungrädern leistet das Forschungszentrum Karlsruhe einen wichtigen Beitrag. Kernpunkt der Forschung ist ein passives Magnetlager, das aus einem rotierenden Permanentmagneten und einem ruhenden Körper aus supraleitendem Material besteht. Der Supraleiter verankert dabei das Feld des Magneten und stabilisiert ihn in alle drei Raumrichtungen. Zwar muß der Supraleiter auf 77 K gekühlt werden, dafür entfallen aber im Vergleich mit herkömmlichen Magnetlagern die Versorgung der Elektromagneten und die aktive Regelung. Diese Lager wurden in Verbindung mit Kleinschwungrädern erfolgreich getestet. Das Forschungszentrum hat 1995 ein neues Versuchsschwungrad entwickelt. Zwei Schwungscheiben aus Hochleistungsfaserverbundwerkstoff sind über eine Welle miteinander verbunden. Die Welle dient gleichzeitig als Rotor für die Homopolarmaschine mit abschaltbarer Erregung. Oberhalb und unterhalb dieser hantelförmigen Anordnung sind die beiden Magnetlager angebracht. Bei einer Drehzahl von 50.000 min-1 speichert dieses Schwungrad 300 Wh [17,18,19].

    3. Entwicklung

Um einen Überblick über die Schwungradentwicklung zu gewinnen, sind die Tabellen 6a und 6b (siehe Anhang 12.1) erstellt worden. In diesen Tabellen sind die Merkmale und Daten der oben erwähnten Schwungradenergiespeicheranlagen in chronologischer Reihenfolge aufgeführt. In der folgenden Darstellung ist die maximale Drehzahl über dem maximalen Energieinhalt in Abhängigkeit der verschiedenen Schwungradwerkstoffe aufgetragen.

Bild 7: Zusammenhang zwischen Energieinhalt und Drehzahl

Es ist deutlich zu erkennen, daß die Stahlschwungräder hohe Energieinhalte bei relativ niedrigen Drehzahlen aufweisen, während die Kunststoffschwungräder eine hohe Drehzahl bei niedrigen Energieinhalten besitzen. Das Kautschukschwungrad fällt dabei aus dem Rahmen, da es eine niedrige Drehzahl mit einem niedrigen Energieinhalt miteinander vereint.

Es wird ein Generationsumbruch deutlich, der sich Anfang der achtziger Jahre vollzogen hat. Mit dem Wechsel des Werkstoffes von Stahl zu Kunststoffen änderte sich auch die Schwungradform. Bei den Stahlschwungrädern wird häufig die sogenannte Scheibe gleicher Festigkeit nach Carl Gustav de Laval verwandt. Diese Form hat ihren Ursprung im Turbinenbau, wo die Fliehkräfte, die durch die Schaufelreihen hervorgerufen werden, so auf die Turbinenscheibe wirken, daß das Scheibenmaterial möglichst an jeder Stelle eine gleich hohe Beanspruchung erfährt. Bei der Anlage am Max-Planck-Institut in Garching und den beiden Mitsubishi-Großschwungrädern werden aber ganz einfach Massivzylinder bzw. aus mehreren Scheiben zusammengesetzte Zylinder verwandt, was zu sehr hohen Rotormassen führt.

Ab Mitte der siebziger Jahre wurden von Amerika ausgehend die sogenannten "Superflywheels" entwickelt. Grundgedanke dieser Schwungräder ist die Abkehr von Stahl als isotropem Werkstoff und die Hinwendung zu faserverstärkten Kunststoffen mit der Ausnutzung der von der Faserrichtung abhängigen Werkstoffeigenschaften. Der große Vorteil dieser Kunststoffe sind die sehr hohen Festigkeiten bei gleichzeitig geringer Dichte. Diese Eigenschaft prädestiniert Faserverbundschwungräder für den mobilen Einsatz.

Bei den Schwungrädern aus faserverstärkten Kunststoffen hat sich die aus mehreren konzentrischen Ringen zusammengesetzte Scheibe durchgesetzt. Im Gegensatz zu den mehrachsigen Spannungszuständen bei den Stahlrädern tritt hier hauptsächlich eine Tangentialspannungsbelastung auf, was den anisotropen Werkstoffeigenschaften gerecht wird. Die höheren Festigkeitswerte bei geringerer Dichte lassen hier wesentlich höhere Drehzahlen zu.

Die Motor/Generator-Einheit ist je nach Anwendung unterschiedlich gestaltet. Es finden sich Gleichstrommaschinen wie bei der MAN-Anlage, Drehstrommaschinen und in neuerer Zeit immer häufiger permanentmagneterregte Maschinen.

Während die Großschwungräder älterer Bauart hydrostatisch oder hydrodynamisch gelagert sind, haben die kleineren Schwungräder in der Regel Wälzlager. Da bei beiden Lagerungsarten die Lagerreibung überproportional mit der Drehzahl anwächst, wird bei den hochtourigen modernen Anlagen vermehrt auch die magnetische Lagerung und die magnetische Lagerentlastung eingesetzt.

Bis auf wenige Ausnahmen rotieren die Schwungräder in Luft bei hohem Unterdruck oder aber in Atmosphären mit Gasen geringerer Dichte wie Wasserstoff oder Helium.

Wenn man die Schwungradentwicklung in den letzten Jahrzehnten betrachtet, so ist es auffallend, daß nur wenige Anlagen marktreif entwickelt worden sind. In dem Nachschlagewerk "Wer liefert was" für den deutschen Markt sind zum Beispiel keine Anbieter von Schwungradenergiespeicheranlagen in Deutschland verzeichnet. Es beschäftigen sich hauptsächlich Forschungseinrichtungen bzw. Firmen, die dafür öffentlich gefördert werden, mit dieser Thematik. In der Bundesrepublik wurden seit dem Magnet-Motor-Projekt (1988) nach telefonischer Auskunft eines Mitarbeiter des Bundesministeriums für Bildung und Forschung allerdings keine Bundesfördermittel mehr für die Schwungradtechnologie bereit gestellt [20].

 

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