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Innovation

Was sind Schwungmassenspeicher bzw. Schwungräder?

Es gibt viele Formen von Energiespeichern. Die wesentlichen sind: elektrochemische, thermische und mechanische. Am meisten verbreitet sind elektrochemische und mechanische Formen. Elektrochemische Technologien speichern elektrischen Strom in der besonderen, chemischen Zusammensetzung von Substanzen. Mechanische Energiespeicher realisieren Energiespeicherung in der Form von kinetischer Energie (z.B. Schwungmassenspeicher) und potentieller Energie (z.B. Pumpspeicherkraftwerk).

Beim Schwungmassenspeicher wird Energie auf einem drehenden Schwungmassenrad gespeichert. Das Schwungrad ist das Herzstück dieses Systems und kann in klassischer Bauweise – aus Vollmaterial (meistens als Guss-Teil) oder nach einer modernen und perspektivreichen Technologie – in Form sogenannter Superschwungräder (SSR) gefertigt werden. Die SSR Technologie ist durch besonders hohe Energiedichte gekennzeichnet. Dabei wird auf ein elastisches Zentrum ein Material mit sehr hoher einachsiger Festigkeit (z.B. Draht, Fasern oder Band), unter einer bestimmten Spannung aufgewickelt. Das Schwungmassenrad wird in einem Medium mit verringertem Widerstand, in einem Vakuum, betrieben.

Vorteile

Die kinetische Energiespeicherung hat folgende Vorteile gegenüber den oben erwähnten elektrochemischen und anderen mechanischen Speichersystemen:

  1. Hohe spezifische Energiedichte in Volumeneinheit;
  2. Hohe (für andere Speichertechnologien), unerreichbare Leistungsdichte;
  3. Funktion wird in einem weiten Temperaturbereich von – 60 °C bis + 80 °C sichergestellt;
  4. Einfache Bedienung und Wartung;
  5. Lebensdauer von über 25 Jahren.

Kinetische Energiespeichersysteme sind die flexibelsten Systeme in ihrem Bereich, welche eine hohe Leistungsfähigkeit und niedrigsten spezifischen Indikator für die Bau- und Betriebskosten aufweisen. In den meisten Fällen sind die kinetischen Energiespeichersysteme eine wirtschaftliche und effektive Alternative für Einsatz von elektrochemischen Speichersystemen. In anderen Fällen ist die Kombination zwischen beiden Technologien sinnvoll.

Unser Produkt

Mit unserem hochenergetischen Schwungmassenspeicher wurde eine Konstruktion von besonders sicheren (explosionsgeschützten) kinetischen Energiespeichern entwickelt und erprobt. Das Kernstück von diesem System ist ein Hochleistungsschwungradkörper (HLSR) mit sehr hoher Massen- und volumetrischer Energiedichte (Massenenergiedichte 60 kJ/kg; - Volumetrische Energiedichte von 350 kJ/l). Zum Vergleich ist die Massenenergiedichte von bestehenden HLSR ca. doppelt so hoch, aber die volumetrische Energiedichte, die eine höherer Priorität für den stationären Anlagenbetrieb hat, ist in unserer Ausführung ca. 1,5-mal höher als bei Kohlenfasern- Hochleistungsschwungrädern.

Der Hauptwettbewerbsvorteil unserer Lösung ist jedoch die Sicherheit. So kann nicht in Folge von Materialversagen explodieren erfolgen und große Zerstörrungen verursachen. Also sind wesentlich weniger Investitionen (Material) in Aufbau und Sicherheitsmaßnahmen erforderlich. Dadurch wird auch die Massenenergiedichte von Kohlenfasern-HLSR erreicht oder sogar überschritten.

 

Wirtschaftsbereich

Unser Hauptziel gilt der intensiven Teilnahme im Energiespeicher-Sektor, insbesondere für die Bereiche Strommanagement und Stromqualität. Zusätzlich möchten wir unsere Technologie im Dienstleistungssektor, insbesondere für die Gewährleistung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) einsetzen.

Die Marktsegmente für "USV" und "Unterstützung für Energiesysteme" sind die Hauptziele für die Energiespeicherung. Dort kommen die Speichertechnologien zum Einsatz, um sowohl ununterbrochene Stromversorgung aber auch Stromqualität in industriellen Maßstab sicherzustellen. Diese Segmente weisen ein sehr hohes Wachstumspotential auf. 

Der Markt für Energiespeichersysteme für die Netzunterstützung wurde zu Beginn des Jahres 2011 auf weniger als 1 Milliarde USD geschätzt. Laut Prognosen wird der Markt für diese Anwendung bis zum Jahre 2021 das Volumen von fast 30 Milliarden USD erreichen. 

Marktpotential

Die Technologie unterscheidet sich vom Wettbewerb, dank patentgeschütztem Knowhow, durch besonders sichere, einfache und kostengünstige Bauweise. Aus Sicherheitsgründen wurden Schwungradspeicher bisher in solide Gehäuse eingebaut, häufig in unterirdischen Betonbunkern. Durch die hohe im Rotor gespeicherte Energie und das erwartete Gesamtgewicht von ca. 35 – 40 Tonnen war ein mobiler Einsatz (z.B. in Containern) nicht vorgesehen. Bei der hier vorgestellten Technologie können Systeme mit ausgesprochen positivem Kosten-Nutzen-Verhältnis entwickelt werden. Somit ergeben sich zahlreiche Anwendungsgebiete, für die früher der Einsatz von derartigen Energiespeichersystemen aus Kostengründen nicht denkbar gewesen wäre.

Anwendung und Zielgruppen

Rekuperationseinsatz

Unsere Unit für den Rekuperationseinsatz ist für Kunden, die Lokomotiven mit Elektroantrieb betreiben. Es sind neben Bahnbetrieben mit viel Güterverkehr auch Betriebe bei denen die Züge diverse Steigung auf Ihren Strecken zu bewältigen hätten. Möglichen Kunden sind, z.B. die Schweizer Bahnbetriebe, Österreichische Bahnbetriebe, die Deutsche Bahn aber auch weitere städtische Straßenbahnbetreiber.

Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Kunden für USV Technologien sind z. B. Krankenhäuser IT-Unternehmen, Produktionsfirmen und staatliche Einrichtungen.

Kurzzeitspeicher

Kurzzeitspeicher im Lastmanagement benötigen alle Firmen und Einrichtungen, die durch überdurchschnittliche Beanspruchung des Stromnetzes das Netz belasten. Hierunter fallen Firmen mit großer Produktion, Kräne (insbesondere Hafenkräne), Hochhäuser, Hotels…etc.

E-Mobility

Gewerbliche Kunden, die Ladestationen für E-Mobility anbieten oder Privatpersonen mit eigener Ladestation. 

Schwerindustrie

Kunden aus dem Bereich Schwerindustrie, die durch die Kompensation von Peaks höhere Kosten für die Netzregulierung vermeiden wollen.

Energieparks

Besitzer von Energieparks erneuerbarer Energien, die auf ein effizientes Strommanagement angewiesen sind, um schwankenden Erzeugungsbedingungen zu kompensieren.

Verbünde

Anbieter oder selbstverwaltende Verbünde, die dezentrale Energiemanagementsysteme bereitstellen und auf flexible Mechanismen zur Verteilung, Speicherung und Weiterleitung von Strom angewiesen sind.

E-Mobilität

Anbieter von Strom für E-Mobilität, die auf schnelle Ladezyklen angewiesen sind und Überlastungen des Stromnetzes durch die Nutzung von Ladestationen vermindern müssen.

Anwendungsfelder

Rekuperation

Die Wirtschaftlichkeit schienenbasierter Infrastruktur wurde gerade in Anbetracht des gesteigerten Gebrauchs von LKW bei gleichzeitiger Überbelastung der Straßenwege mehrfach aufgezeigt. Mit unserer Technik möchten wir den Personen- und Güterzugverkehr noch attraktiver machen, indem unsere Hochleistungsschwungmassenspeicher zu Rekuperationszwecken im Schienenverkehr integriert wird.

Das Prinzip ist denkbar einfach: die Bremsenergie, die beim Halten der Züge entsteht, wird durch unser Flywheel aufgenommen und für die Unterstützung der Anfahrtsleistung oder für die weitere Nutzung im Stromnetz wieder abgegeben. Das Bedeutet: Bremsenergie, die bei jetziger Nutzung in den Boden abgeleitet wird, kann nutzvoll kurzfristig gespeichert werden, um z.B. eine Energieersparnis bei der Anfahrt eines Zuges zu erzielen.

Insbesondere in bergigen Regionen oder an Strecken mit langen Steigungen, wirkt sich das „Recycling“ der Bremsenergie stark auf die Streckenbilanz aus, da bei Steigungen ein höherer Energieaufwand beim Anfahren besteht, als im flachen Gelände.

Gerade im Güterverkehr kann eine positivere Streckenbilanz große Vorteile im Wettbewerb erbringen, da gleichzeitig ein kostensparender und umweltfreundlicherer Transport ermöglicht wird. Unsere Unit ist in der Lage mit einem Wirkungsgrad von 0,95 Energie zu speichern und mit einer verbesserten Stromqualität diese Energie wieder abzugeben. Geht man von einem gesamten Wirkungsgrad von 0,9 und pro Zug von ca. 30 kWh rekuperierter Energie aus sowie einer Bahnstrecke auf der in 24 h mindestens 160 Züge fahren, kann man 0,058 x 0,9 x 30 x 160 = 250,56 EUR/tag x 365 = 91 454 EUR / Jahr einsparen.

Stromqualität

Stromqualität ist bereits jetzt und wird in naher Zukunft ein immer größerer kritischer Faktor sein, gerade da der Ausbau erneuerbarer Energien stark forciert wird.

Die Vorteile erneuerbarer Energien liegen auf der Hand: Im Vergleich zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen besteht eine extrem niedrigere Umweltbelastung. Zum einen durch die Natur der Stromerzeugung selbst, als auch durch die Förderung fossiler Brennstoffe an sich.

Ein Nachteil erneuerbarer Energien besteht jedoch darin, dass sie als Stromlieferanten relativ inkonstant und unvorhersehbar sind. Zurzeit ist deshalb eine komplette Umstellung auf erneuerbare Energien Zukunftsmusik, weswegen immer noch fossile Brennstoffe als konstante und zuverlässigere Energieträger genutzt werden müssen.

Das Hauptproblem bei der Nutzung erneuerbarer Energien liegt somit in der permanenten Bereitstellung von Elektrizität mit gleichbleibender Stromqualität. Witterungsabhängige und schwankende Faktoren wirken sich negativ auf die Stromerzeugung nieder, wodurch z.B. in  Zeiten mit hohem Energiebedarf wenig Strom bereitgestellt werden kann, was zu einer Unterversorgung führt oder, in Zeiten mit niedrigem Energiebedarf das Stromnetz durch eine Überproduktion belastet wird.

Unsere Technologie setzt an diesem Punkt an, indem durch den Einsatz unserer Hochleistungsschwungmassenspeicher Verbindungsstellen zwischen Stromnetz und Erzeugern erneuerbarer Energien geschaffen werden, die durch Speicherung und Abgabe von Elektrizität Schwankungen gezielt kompensieren können. Bei einer Überproduktion kann die Elektrizität zum Beispiel auf Batteriespeicherlösungen umgeleitet werden oder durch den Einsatz von Smart-Controllern eine direkt auf Knoten in akuten Bedarfssituationen umgeleitet werden. Somit liefern wird die entscheidende Technik für das Zeitalter der „Smart Renewable Energy“

Strommanagement

Die Begriffe „smartgrid“, „virtuelles Kraftwerk“ und bestehende Konzepte großer Stromanbieter zur individualisierten Stromverwaltung nehmen schon jetzt eine zukünftige Entwicklung vorweg, die mit dem Einfluss digitaler Technologien zukünftig in einen überaus flexiblen und dezentralen Energiemarkt münden werden, auf dem Energieerzeugung und Verkauf nicht mehr nur gewerblichen und professionellen Betrieben zugesprochen wird, sondern ebenfalls Privaterzeuger (z.B. Besitzer von Photovoltaik- Anlagen) in eigener Verantwortung als Anbieter für Strom auftreten können.

Unsere Technologie füllt dabei eine entscheidende Hardware-Lücke im Aufbau moderner, zukunftsorientierter Stromnetze. Denn was derzeitigen Konzepten mit ausgearbeiteten Szenarien auf Verbraucher- und Erzeugerseite momentan fehlt, ist eine deutliche Erweiterung des Mittelstücks, dem Stromnetz, zu einem transparenten, vernetzten Zu-, bzw. Verteilungssystem. Ein dezentrales Strom-Verteilungssystem ist auf flexible Knotenpunkte angewiesen. Wir stellen die notwendige Hardware für diese Knotenpunkte zur Verfügung.

Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Auch im klassischen Einsatzgebiet für Schwungmassenspeicher können wir leistungsstarke Produkte anbieten, die in Notfallsituationen eine Stromversorgung gewährleisten können. Wir können mit unseren Hochleistungsschwungmassenspeichern in extrem kurzer Zeit Energie bereitstellen, um die unsichere Zeit zwischen der Aktivierung anderen Notstromaggregate (wie z.B. Dieselnotstromgeneratoren) effektiv zu überbrücken. Speziell für wichtige Versorgen, wie Krankenhäuser, Verwaltungssysteme oder Notrufzentralen ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung unumgänglich.

E-Mobility

Ein sich gerade stark entwickelnder Markt (besonders am Beispiel Tesla zu sehen) ist ebenfalls der Sektor der E-Mobility, der sowohl Lösungen für den Privatverkehr in Form von E-Autos, als auch für den ÖPNV z.B. in Form von E-Busses, bereitstellt. Ein Problem, das einen gesamten Durchbruch auf dem Gebiet zurzeit noch beeinträchtigt, ist die komplizierte Bereitstellung von Ladestationen zur E-Mobilität. Gründe liegen dabei vor allem in der unterschiedlichen Qualität der angeschlossenen Stromnetze. Mithilfe unserer Hochleistungsschwungmassenspeicher kann eine gleichbleibende Qualität für Ladestationen gewährleistet werden, was die Durchsetzung der umweltfreundlichen E-Mobilitätslösung deutlich unterstützen kann.