Energiespeicherung in Schwungrädern ist konventionellen Akkus energietechnisch weit überlegen.

Die Produktion von erneuerbarem Strom unterliegt wetterbedingt starken Schwankungen. Es wird dann besonders viel Strom produziert, wenn kaum Nachfrage gegeben ist. Der produzierte Strom muss gespeichert werden.

Das Interesse an der Energiespeicherung ist mit dem Vordringen der wetterabhängigen erneuerbaren Energien, insbesondere der Solar- und Windenergie, die große kohlebefeuerte Dampfkraftwerke ersetzen, exponentiell gestiegen. Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien ist nicht nur unstetig, sondern auch die Trägheit des Netzes hat sich verringert, was die Frequenzstabilität schwächt.

Große Dampfkraftwerke haben eine erhebliche mechanische Trägheit, ähnlich wie Schwungräder, die sofort reagieren, wenn die Frequenz durch Ungleichgewichte zwischen Angebot und Nachfrage nach oben oder unten gezogen wird. Diese Trägheit muss ersetzt werden, und die derzeitige Lösung besteht in der Verwendung von Energiespeichern mit einer Reaktionszeit von weniger als einer Sekunde, um eine künstliche Trägheit zu erzeugen.

Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit die Technologie der Wahl für eine schnelle Reaktion, leiden aber unter einer begrenzten Zyklus- und Kalenderlebensdauer. Dies kann durch eine ausreichende Energiekapazität zur Begrenzung der Entladetiefe bei Kurzzeitzyklen gemildert werden.

Aus energietechnischer Perspektive ist die Speichertechnik mit Schwungrädern konventionellen Akkus weit überlegen. Schwungräder, eine der frühesten Formen der Energiespeicherung, könnten eine wichtige Rolle bei der Umwandlung des elektrischen Energiesystems in ein vollständig nachhaltiges und gleichzeitig kostengünstiges System spielen. Die Technologie des Rotationskinetischen Speichers kann mit einem Wirkungsgrad von ganzen 90% überschüssige elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen als Bewegungsenergie speichern und dann freisetzen, wenn diese wieder benötigt wird.

Mit der Entwicklung mechanischer, thermisch-elektrischer und auf erneuerbaren Brennstoffen basierender Speichertechnologien werden diese bald einmal zu geringeren Kosten, mit längerer Lebensdauer und auf nachhaltigere Weise als Lithium-Ionen-Speicher zur Verfügung stehen. Der Bedarf an reaktionsschneller Speicherung wird jedoch bestehen bleiben, und Schwungräder aus Stahl sind angesichts ihrer potenziell niedrigen Stromkosten und ihrer Nachhaltigkeit gut geeignet, um diese Aufgabe zu erfüllen.

Um Kostenschätzungen für Schwungräder in der Massenproduktion zu erhalten, wurden die Kosten für die Energie- und Speicherelemente getrennt, wobei die Kosten für jedes Element auf ähnlichen Technologien in der Massenproduktion basieren. Diese zeigen, dass die Kosten deutlich niedriger sind als bei den derzeit kommerziell erhältlichen Schwungrädern, von denen im Vergleich zu Lithium-Ionen keine in Serie produziert werden. Es gibt auch neue Ansätze, die das Potenzial haben, die Leistung zu verbessern.

Grundlagen des elektrischen Schwungrads.

Das Kernelement eines Schwungrads besteht aus einer rotierenden, in der Regel achsensymmetrischen Masse, welche die kinetische Rotationsenergie speichert. Um die Speicherung und Entnahme von elektrischer Energie zu erleichtern, muss der Rotor Teil eines Systems sein.

Die elektrische Leistung wird normalerweise von einer Gleichstromverbindung mit konstanter Spannung über einen Stromrichter zum und vom Motor-Generator übertragen. Dieser Stromrichter erzeugt einen dreiphasigen Eingang aus der Gleichstromversorgung beim Laden oder wandelt den erzeugten Wechselstrom beim Entladen wieder in Gleichstrom um.

Der Motor-Generator ist entweder direkt an den Schwungradrotor angeschlossen oder manchmal direkt in den Schwungradrotor integriert. Wie bei jeder Speichertechnologie ist es wünschenswert, unabhängig vom Ladezustand ein konstantes Leistungsniveau bereitzustellen.

Elektrische Schwungräder werden deshalb in einem gewünschten Ladezustand gehalten. Der Leistungsverlust im Bereitschaftszustand kann durch ein gutes Lagersystem, einen Motor-Generator mit geringem elektromagnetischen Widerstand und ein internes Vakuum für einen geringen Luftwiderstand minimiert werden. Da das elektrische Schwungrad keine Wellendichtung benötigt, kann ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse den Betrieb der Vakuumpumpe minimieren. Das Gehäuse muss auch den Rotor im Falle eines mechanischen Versagens, z. B. eines Lagerschadens, oder, was noch schlimmer ist, eines Rotorbruchs, schützen.

Es gibt kein Speichersystem, das alle erforderlichen Zeitskalen abdecken kann, von der schnellen Reaktion bis hin zur saisonalen Speicherung. Interessanterweise haben die meisten Speichersysteme mit längeren Laufzeiten als bei Lithium-Ionen aufgrund grundlegender mechanischer oder thermischer Trägheit Reaktionszeiten in der Größenordnung von einigen 10 Sekunden. Die Folge ist, dass immer mindestens zwei Systeme benötigt werden, eines für eine schnelle Reaktion und eines für eine lange Dauer. Da Technologien mit langer Laufzeit, wie z. B. Wasserkraftwerke, Druckluftanlagen, Wärmekraftwerke oder Motoren, die mit erneuerbaren Brennstoffen betrieben werden, innerhalb von einer Minute Strom liefern können, ist für die Technologie mit schneller Reaktionszeit nur eine kurze Laufzeit von einer Minute erforderlich.

Die beste Technologie ist dann diejenige mit den niedrigsten Stromkosten, wobei die Energiekosten weniger wichtig sind. Hier können Schwungräder oder andere Schnellladetechnologien, deren Stromkosten unter denen von Lithium-Ionen-Akkus liegen, konkurrieren. Die Standby-Verluste von Schwungrädern werden oft als Problem genannt, aber bei einem gut konzipierten Schwungrad sind sie bei einer gegebenen Leistung nicht höher als die zusätzliche Leistung, die für das Wärmemanagement von Li-Ionen benötigt wird, um die Lebensdauer zu maximieren.

Die Schlussfolgerung ist, dass sich die von der Lithium-Ionen-Technologie gebotene Laufzeit von 1 bis 2 Stunden mit der von anderen Technologien mit langer Laufzeit bereits gebotenen überschneidet, so dass diese Redundanz die Lithium-Ionen-Technologie verdrängen kann, wenn Technologien mit langer Laufzeit und langsamem Ansprechverhalten eingesetzt werden. Ein Beispiel für ein hybrides System aus schnellen und langlebigen Technologien ist eine Versuchsanlage, bei der Schwungräder und Superkondensatoren mit Flüssigluftspeichern erprobt werden.

Superkondensatoren sind eine ausgereifte und etablierte Technologie, die das Potenzial hat, Schwungräder bei reaktionsschnellen Anwendungen herauszufordern. Sie haben niedrige Stromkosten, aber derzeit eine unzureichende Dauer, um die Lücke bei der Reaktionszeit von Technologien mit langer Dauer zu schließen. Im Gegensatz zu Schwungrädern verschlechtern sie sich außerdem mit der Zeit, der Temperatur und dem Alter, und für Netzspannungen müssen sie in langen Reihen geschaltet werden, was die Zuverlässigkeit beeinträchtigt.

Schwungradkosten und zukünftige Entwicklungen.

Der wichtigste Faktor für die Marktakzeptanz von Schwungrädern ist die Senkung der Kosten, insbesondere der Energiekosten. Dies kann durch eine Kombination aus kostengünstigem Design und Großserienfertigung erreicht werden. Die Kosten eines Schwungrads lassen sich in zwei nahezu unabhängige Elemente aufschlüsseln: den Schwungradrotor mit Lagern, Gehäusen und Nebenaggregaten wie der Vakuumpumpe (FW) und den Motor-Generator mit der Leistungselektronik, einschließlich des netzgebundenen Wechselrichters.

Eine neuere und umfassendere Studie, welche die Degradation und andere Effekte berücksichtigt, hat jedoch gezeigt, dass Schwungräder die kosteneffizienteste Technologie für eine schnelle Reaktion sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Schwungräder bei Anwendungen mit kurzer Laufzeit und hohen Zyklen auszeichnen, und ein weiteres Maß für den Wert sind die Kosten für einen gegebenen Gesamtenergiedurchsatz, der aufgrund der hohen Zyklusdauer praktisch unbegrenzt ist. Ein Wert hierfür kann quantifiziert werden, wenn auch die Einschaltdauer der Anwendung bekannt ist. Das elektrische Schwungrad ist daher eine Speichertechnik, um das zentrale, große Problem der Speicherung von Erneuerbaren Energien zu lösen.