Funktionsintegrierte Energiespeicher im Kontext des energiepolitischen Vierecks
Motivation
Die Abkehr von fossilen Brennstoffen bei der Bereitstellung elektrischer Energie hin zu CO2-freien erneuerbaren Energien erfordert neue Ansätze für die kontinuierliche Energieversorgung. Bei der Nutzung von Sonne und Wind als Energieträger muss sichergestellt sein, dass auch, wenn die Sonne mal nicht scheint oder der Wind nicht weht, ständig elektrischer Strom für Haushalte und Industrie verfügbar ist. Das gelingt nur durch die Speicherung von überschüssiger Energie und deren Nutzung zu Zeiten, in denen naturgemäß keine Erzeugung stattfinden kann, wie z. B. nachts oder bei Flaute. Diese Speicherung erfolgt im Wesentlichen mechanisch, chemisch oder elektrisch, kann aber auch in Kombination stattfinden. Dabei bestimmt die gespeicherte Energiemenge über die Zeitdauer den Anwendungszweck (Langzeit- oder Kurzzeitspeicher).
Möglichkeiten mechanischer Energiespeicherung
Seit Jahrzehnten erfolgt schon die Speicherung von Energie in Pumpspeicherwerken. Dabei wird in lastschwachen Zeiten mittels elektrisch betriebener Pumpen Wasser in ein höher gelegenes Speicherbecken gepumpt. Bei Bedarf wird es über Turbinen wieder abgelassen und dabei die gespeicherte Energie in Elektroenergie umgewandelt. So können z. B. Spitzenbelastungen abgedeckt werden.
Eine andere Option besteht in der Speicherung von Energie in einer Schwungmasse, wie sie auch bei einer Töpferscheibe Anwendung findet. Hierbei wird eine Schwungmasse in eine Drehbewegung versetzt, wodurch ein rasches Abbremsen verhindert wird und eine Vergleichmäßigung der Bewegung stattfindet. Das Ganze funktioniert natürlich nur eine gewisse Zeit und ist auch wesentlich davon abhängig, wie die Schwungmasse gelagert ist. Eine reibungsarme und somit mit geringen Verlusten behaftete Lagerung ist hier von Vorteil. Reicht das nicht aus, gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Speicherinhalt zu vergrößern: So kann man die Drehzahl erhöhen oder auch die Masse, zudem kann man die Geometrie der Schwungmasse ändern. Das Alles ist jedoch durch die Eigenschaften des verwendeten Materials für die Schwungmasse begrenzt. Hoher Energieinhalt bedeutet große Drehzahlen bei großen Abmessungen und erfordert besonders festes Material, hier stößt selbst Stahl an seine Grenzen.
Lösungsansatz
Als besonders geeignet für solch hohe Belastungen hat sich carbonfaserverstärkter Kunststoff CFK erwiesen. Hier sind Kohlenstofffasern in Kunstharz eingebettet. Im ausgehärteten Zustand sind dessen mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit und Steifigkeit besonders hoch, wodurch hohe Drehzahlen und große Umfangsgeschwindigkeiten realisierbar sind. Allerdings ist die Dichte gegenüber Stahl sehr viel geringer. Daher liegt die Herausforderung zur Erzielung einer hohen Energiedichte in einer optimalen und belastungsgerechten Gestaltung der Geometrie der Schwungmasse für hohe Drehzahlen. Dafür ist eine Fertigungstechnologie zu entwickeln, die eine fehlerfreie Herstellung des CFK-Rotors und somit einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Schwungmasse bei höchsten Drehzahlen garantiert. Zur Überwachung der dynamisch hoch beanspruchten Schwungmasse lassen sich in den Faserverbund Sensoren integrieren.
Wird in die Schwungmasse deren Lagerung und die elektrische Maschine als Motor-Generatoreinheit integriert, ergibt sich eine kompakte Anordnung. Der modulare Aufbau gestattet die Zusammenschaltung mehrerer Systeme im Verbund und somit eine bedarfsgerechte Anpassung der Anlagengröße an die Anforderungen des Anwenders.
Projektpartner
Die Entwicklung erfolgt in Arbeitsteilung zwischen dem Fraunhofer IWU und dem IPM der HSZG, beide Institutionen auf dem Campus der Hochschule in Zittau. Hauptaufgabe des IWU ist die Entwicklung, Auslegung und Konstruktion eines geeigneten Faserverbundwerkstoffs und der Fertigungstechnologie sowie der Entwicklung einer Technologie zur Verbindung der metallischen Rotorteile in den Faserverbund. Das IPM zeichnet verantwortlich für die Auslegung und Entwicklung einer geeigneten verlustarmen Magnetlagerung, die Auswahl einer für den anvisierten Drehzahlbereich geeigneten Motor-Generatoreinheit, die Sensorik zur Online-Zustandsüberwachung und die erforderliche Steuer- und Regelungstechnik.
Werden Sie ein Teil der Lösung
Begleiten Sie uns auf unserer Mission für grüne Energie und helfen Sie uns bei der Entwicklung von Lösungen bei der Umsetzung der Energiewende, dem Übergang von der Verbrennung fossiler Brennstoffe auf die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Lassen Sie uns gemeinsam eine nachhaltige Zukunft aufbauen!
Förderung
Das Projekt ist im Rahmen des Programms zur Stärkung der Transformationsdynamik und Aufbruch in den Revieren und an den Kohlekraftwerksstandorten „STARK“ gefördert durch das BMWi. Die Ergebnisse dienen der Erreichung der internationalen und nationalen Klimaschutzziele sowie der ökologisch nachhaltigen und ressourceneffizienten Strukturstärkung der vom Kohleausstieg betroffenen Regionen.
