Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

 

Fakultät für Maschinenwesen

Institut für Dampf- und Gasturbinen der RWTH Aachen

Prof. Dr.-Ing. Dieter Bohn

in Zusammenarbeit mit der

Firma ENERCON GmbH, Aurich

 

 

 

Machbarkeitsstudie und Konzept einer
stationären Schwungradanlage zur dezentralen, verbraucherorientierten Energiespeicherung

 

 

 

 

Diplomarbeit

 

Aachen, im Mai 1996

 

Autor: cand.-Ing. Florian Strößenreuther

Betreuender wiss. Mitarbeiter: Dipl.-Ing. Uwe Krüger

Betreuender Professor: Prof. Dr.-Ing. Dieter Bohn

Erklärung

Hiermit erkläre ich, daß ich diese Diplomarbeit selbständig und ohne Hilfe Dritter angefertigt habe. Ich habe nur die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt, wobei ich die den benutzten Quellen wörtlich und inhaltlich entnommenen Stellen und Darstellungen als solche kenntlich gemacht habe.

 

 

 

Aachen, den 14. Mai 1996 Florian Strößenreuther

Danksagung

Ich möchte folgenden Personen meinen Dank aussprechen, die die Durchführung dieser Diplomarbeit ermöglicht haben bzw. die mir mit Rat und Tat während der letzten Monate beiseite gestanden haben:

Prof. Dr.-Ing. Dieter Bohn und Dipl.-Ing. Uwe Krüger, Institut für Dampf- und Gasturbinen der RWTH Aachen, die die wissenschaftliche Betreuung der Diplomarbeit übernommen haben,

Dipl.-Ing. Torsten Jepsen von der Firma ENERCON GmbH, Aurich, der die Anregung zu dieser Diplomarbeit gab und mit dem ich in mehreren Gesprächen einen regen Gedankenaustausch hatte,

meinen Eltern, die mich das ganze Studium über moralisch und finanziell unterstützt haben,

meinen Freunden, die mir während der Diplomarbeitsphase zu willkommener Ablenkung verhalfen

und schließlich meiner Freundin Martina, die mich die letzten Monate immer wieder aufgemuntert und unterstützt hat.

Inhaltsverzeichnis

Diplomthema ii

Bezeichnungen vii

1 Einleitung 1

2 Geschichtlicher Rückblick 3

3 Schwungradentwicklung in den letzten vierzig Jahren 8

3.1 Ausgeführte und geplante Anlagen 8

3.2 Entwicklung 14

4 Grundlagen der Schwungradtechnik 17

4.1 Die Schwungradenergiespeicheranlage 17

4.2 Schwungradform 18

4.3 Werkstoffe 23

4.4 Lagerung 25

4.4.1 Wälzlager 26

4.4.2 Gleitlager 26

4.4.3 Magnetische Lager 27

4.4.4 Anordnung 28

4.5 Gehäuse und Vakuum 30

4.6 Elektrischer Anlagenteil 33

4.6.1 Elektrische Maschine 33

4.6.2 Umrichter 34

4.7 Betriebsdatenerfassung und Regelung 36

5 Schwungrad als Energiespeicher 37

5.1 Energiefluß 37

5.2 Verluste 39

5.3 Wirkungsgrad und Speichergüte 42

5.4 Speicherstrategien 45

6 Weitere Speichermöglichkeiten 46

6.1 Allgemeines 46

6.2 Hydraulische Speicher 46

6.3 Thermische Speicher 47

6.4 Druckluftspeicher 48

6.5 Batterie 49

6.6 Wasserstofftechnologie 50

6.7 Supraleitender magnetischer Energiespeicher 51

6.8 Vergleich der verschiedenen Speichermöglichkeiten 52

7 Speichereinsatz in der elektrischen Energieversorgung 53

7.1 Ort der Energiespeicherung 53

7.2 Verbraucherorientierte Energiespeicherung 53

7.2.1 Kosten für die Energieumwandlung 54

7.2.2 Strompreise 55

7.2.3 Lastmanagement 57

7.3 Energiespeicherung bei Windkraftanlagen 60

7.3.1 Schwankungen des Windangebotes 60

7.3.2 Überbrückung bei Ausfall von Anlagen 62

7.3.3 Anschluß von Windkraftanlagen ans Netz 62

7.3.4 Netzstabilisierung, Frequenz- und Spannungsregelung 63

7.4 Weitere Anwendungen 64

7.5 Anforderungsprofil einer Schwungradenergiespeicheranlage 64

7.5.1 Anlagenspezifikation 64

7.6 Hypothetischer Lastzyklus 66

8 Entwurf einer Schwungradspeicheranlage 68

8.1 Zusammenhänge zwischen den Entwurfsbereichen 68

8.2 Schwungrad 69

8.2.1 Materialauswahl 69

8.2.2 Lebensdauer und Dauerfestigkeit 69

8.2.3 Festigkeitsberechnung 74

8.2.4 Schwungradform 83

8.2.5 Anordnung des Schwungrades 85

8.2.6 Verbindung Scheibe-Welle 86

8.2.7 Dynamische Betrachtung 87

8.3 Lagerung 87

8.3.1 Axiales hydrostatisches Gleitlager 88

8.3.2 Axiales Wälzlager 90

8.3.3 Auswahl des Axiallagers 94

8.3.4 Radiales Führungslager 95

8.3.5 Schmierung 95

8.4 Elektrischer Anlagenteil 96

8.5 Gehäuse 97

8.5.1 Luftreibung 97

8.5.2 Belastung des Gehäuses 98

8.5.3 Berstschutz 99

8.6 Regelung und Steuerung 99

9 Bewertung der Schwungradenergiespeicheranlage 101

9.1 Verbraucherorientierte Speicherung 101

9.1.1 Verhalten der Anlage 101

9.1.2 Wirtschaftliche Betrachtung 104

9.2 Energiespeicherung bei Windkraftanlagen 108

9.2.1 Wirtschaftliche Betrachtung 108

10 Zusammenfassung 109

11 Literatur 111

12 Anhang 116

Bezeichnungen

Lateinische Buchstaben

a Rißlänge

B geometrischer Parameter der Scheibe gleicher Festigkeit

Bf gleichbleibende jährliche Betriebs- und Instandsetzungskosten

Bn im n-ten Betriebsjahr anfallende unregelmäßige Ausgaben

b1 Größenbeiwert

b2 Oberflächenbeiwert

C dynamische Tragzahl

C Konstante

C Werkstoffkennwert nach Paris

Cm aerodynamischer Reibkoeffizient

dm mittlerer Lagerdurchmesser

E Elastizitätsmodul

E Energie

E jährliche Stromkosteneinsparung

ezul zulässige bezogene Unwucht

F Kraft

f0,1 Koeffizienten zur Berechnung der Lagerreibung

G Auswuchtgütestufe

H Druckverhältnis

h Lagerspalt des Gleitlagers

i Anzahl der Lager

i Zinsfuß

J Massenträgheitsmoment

K Formfaktor

Ki Funktion der Schwungradform und der Zylinderkoordinaten

L Lebensdauer

M Moment

m Masse

N Lastspielzahl

n doppelt logarithmische Steigung der Rißfortschrittskurve

n Drehzahl

P dynamisch äquivalente Lagerbelastung

P Leistung

Pn Saldo am Ende des n-ten Jahres

p Druck

p Lebensdauerexponent

Wärmestrom

R Kraftkomponente der Tangentialkräfte in radialer Richtung

Re Reynoldszahl

r Radius

S Schadenssumme nach Miner

S Sicherheit

s jährliche Teuerungsrate des Strompreises

TG Speichergüte

t jährliche Teuerungsrate der Betriebskosten

t Zeit

v örtliche Radialverschiebung

Y Geometriebeiwert des Risses

y Scheibendicke

Z Fliehkraft

Griechische Buchstaben

a Verhältnis von Kranzdicke zu Scheibendicke am Außenrand

b Verhältnis von Innen- zu Außenradius

d Durchmesser der Kapillare

e Dehnung

h dynamische Viskosität

h Wirkungsgrad

j Drehwinkel

l geometrischer Parameter der Scheibenkontur

l Länge der Kapillare

n kinematische Viskosität

n Querkontraktionszahl

x Pumpenwirkungsgrad

r Dichte

s Spannung

c dimensionsloser Radius

w Winkelgeschwindigkeit

Indizes

0 statisch

0 Beginn des Zyklus

1 Radiallager

2 Traglager

10 10 % Ausfallwahrscheinlichkeit

a außen

a Ausschlag

a Jahr

aero aerodynamisch

ax axial

c kritisch

Dicht Dichtung

E Entladevorgang

el elektrisch

erf erforderlich

f fest

G Gestalt

g Gas

Hilf Hilfsaggregat

i innen

L Ladevorgang

Lager Lager

m Mittelwert

m Mittel-

max maximal

mech mechanisch

min minimal

Netz Netz

Öl ölgeschmiert

o Ober-

r radial

S Speichervorgang

Sch Schwell-

Schw Schwungrad

sp Speicher

T Tasche

t tangential

Um Umrichter

u Unter-

V Verlust

v Vergleich

W Wechsel-

Z Zufuhr

z Zug

zul zulässig

 

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