Zusammenfassung
Der erarbeitete Überblick der Schwungradentwicklung der letzten Jahrzehnte hat ergeben, daß ein Generationenwechsel von großen, massiven Stahlschwungrädern hin zu kleinen Schwungrädern aus Faserverbundwerkstoffen stattfindet. Zwar sind die tatsächlich eingesetzten Schwungräder hauptsächlich aus Stahl, aber die Forschung konzentriert sich seit nunmehr zwanzig Jahren auf die sogenannten "Superflywheels". Diese Schwungräder zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte und damit eine kompakte Bauweise aus. Sie rotieren bei Drehzahlen im Bereich von 10.000 - 100.000 min-1. Auch in bezug auf die Lagerung ist eine Trendwende hin zu reibungsarmen, magnetischen Lagern zu verzeichnen. Die neueste Entwicklung auf diesem Gebiet sind die supraleitenden Magnetlager, die sich selbststabilisieren und daher keine aktive Regelung benötigen. Bis zum Jahr 1999 soll am Forschungszentrum Karlsruhe
die in Betrieb befindliche Schwungradenergiespeicheranlage mit 300 Wh Kapaziätät und 10 kW Leistung zu einer Anlage mit 10 kWh Kapaziätät und 200-300 kW Leistung weiterentwickelt werden. Allerdings sind die Stahlschwungräder den "Superflywheels" in puncto Energieinhalt weit überlegen.
Da die in dieser Arbeit zu entwerfende Schwungradenergiespeicheranlage einen Energieinhalt von 50 kWh haben sollte, wurde auf die bewährte Technik von Stahlschwungrädern zurückgegriffen. Die Berechnungen im Entwurfsteil dieser Arbeit belegen, daß eine Anlage mit den gewünschten Spezifikationen technisch machbar ist.
Mit 30 CrNiMo 8 ist ein Werkstoff verfügbar, der den hohen Anforderungen an das Schwungradmaterial genügt. Dieser Vergütungsstahl hat eine hohe Streckgrenze und findet in weiten Bereichen des Maschinenbaus für schwingend beanspruchte Bauteile Anwendung. Beispiele für Bauteile sind Achsen, Wellen, Turbinenschaufeln und Fahrzeugkomponenten.
Unter den gegebenen Bedingungen stellte sich die Scheibenform der Scheibe gleicher Festigkeit mit äußerem Kranz als die beste Lösung heraus. Mit dieser Form erreicht man die größtmögliche Energiedichte für Stahlschwungräder und damit auch die geringste Lagerbelastung bei gegebener Drehzahl, was für die Reibleistung und die Lebensdauer der Wälzlager von Bedeutung ist.
Es konnte nachgewiesen werden, daß eine Lagerung des Schwungrades mit Wälzlagern möglich ist. Unter dem angenommenen Lastzyklus für den Einsatz in der Maximumüberwachung errechnet sich jedoch eine Lebensdauer von nur 5 Jahren. Daher ist abzuwägen, ob nicht doch eine hydrostatische Lagerung oder sogar eine magnetische Lagerung bzw. Lagerentlastung sinnvoller wäre. Zudem ist die Reibung bei der hydrostatischen und magnetischen Lagerung geringer.
Zur Reduzierung der aerodynamischen Reibung auf ein vertretbares Maß ist eine Evakuierung des Gehäuses unabdingbar. Um eine aerodynamische Reibleistung von weniger als ein Kilowatt zu erzielen, muß der Gehäuseinnendruck auf 0,1 mbar abgesenkt werden.
Um das Verhalten der Schwungradenergiespeicheranlage unter dem Einfluß eines Lastzyklus besser beurteilen zu können, wurde ein Modell der Anlage entwickelt. Mit dem Programm SIMULINK wurde das dynamische Verhalten simuliert. Es ergab sich damit ein Zyklenwirkungsgrad von hzylkus = 0,733. Dieser Zyklenwirkungsgrad ist im Vergleich mit dem Wirkungsgrad eines Batteriespeichers oder eines Pumpspeicherkraftwerkes akzeptabel. Wegen der Drehzahlabhängigkeit der Verluste ist ein Einsatz von Schwungrädern nur dann sinnvoll, wenn die Anlage nur für kurze Zeit voll aufgeladen ist und ansonsten bei niedrigen Drehzahlen im Stand-By-Betrieb läuft. Der Einsatz eines Schwungrades in Verbindung mit Windenergieanlagen ist aufgrund der Unvorhersagbarkeit des Leistungsbedarfs nicht ratsam.
Betrachtet man den Einsatz dieser Schwungradenergiespeicheranlage aus wirtschaftlicher Sicht, so ergibt sich unter den getroffenen Annahmen eine Amortisationszeit zwischen 8 und 15 Jahren. Es ist fraglich, ob nicht eine Batteriespeicheranlage finanziell günstiger wäre. Die Lebensdauer von Batterien ist zwar deutlich geringer, dafür ist der Anteil der Batteriekosten an den Anlagenkosten geringer. Der Preis von Batterien ist aufgrund der Massenproduktion sehr günstig. Zudem ist der Aufwand für die Leistungselektronik geringer, da die Batterien mit Gleichspannung gespeist werden und daher nur ein Wechselrichter benötigt wird.
Als Fazit der aus der Arbeit gewonnenen Erkenntnisse läßt sich feststellen, daß das Schwungrad zwar die älteste "Maschine" der Weltgeschichte ist, es dennoch nichts an Attraktivität eingebüßt hat, sondern im Gegenteil in den letzten Jahrzehnten weiter an Bedeutung gewonnen hat. In nicht allzulanger Zeit werden die "Superflywheels" bis zur Marktreife entwickelt worden sein und dann den anderen Speichertechniken Konkurrenz machen.
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