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Energiespeicher – Massen

 

Quelle: Achmed A. W. Khammas (Buch der Synergie)

Schwungmassen und Schwungscheiben  

Bei Schwungmassen- und Schwungscheibenspeichersystemen geht es um die Speicherung mechanischer Energie in Form der Rotation, sie bauen auf dem Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses auf. Bereits in der Antike werden Räder mit großem Massenträgheitsmoment als Spinnräder oder Töpferscheiben verwendet.

Die erstmalige Nutzung der Massenträgheit in Form rotierender Massen läßt sich auf das 6. Jahrtausend v.Chr. datieren. In China und später in Mesopotamien wurden kleine Spindeln für die Herstellung von Fäden verwendet. Diese Spindeln bestanden aus einem hölzernen Stock als Achse und einer kleinen Scheibe mit zentraler Bohrung aus Stein, Holz, Metall, Ton, Glas oder Knochen, die als Schwungmasse diente. Die Spindel war dabei direkt an den zu spinnenden Fasern aufgehängt und wurde von Hand in Rotation versetzt. Eine weitere frühe Anwendung von Schwungrädern ist die Töpferscheibe. Sie kam um 4.000 v.Chr. in Verwendung, vermutlich ebenfalls in Mesopotamien. Erst 400 v.Chr. fanden sie den dann Weg nach Mitteleuropa. Später werden hier auch die modernen, über ein Trittbrett und eine Welle angetriebenen Spinnräder mit einem großen Schwungrad ausgestattet.

Schleifapparat

Schleifapparat

Überall bekannt waren auch die fahrenden Scherenschleifer, deren Schleifstein gleichzeitig ein schweres Schwungrad darstellte, das mit einem Pedalantrieb mühelos in Rotation gehalten wurde. Optiker installierten bei ihren Geräten noch ein zusätzliches Schwungrad, um die Rotationsbeständigkeit zu erhöhen.

Im Zuge der industriellen Revolution wird das Schwungrad bei Dampfmaschinen, Werkzeugantrieben und später auch bei Verbrennungsmotoren eingesetzt, primär um einen ‚runden’ und ,kräftigen’ Lauf zu garantieren.  

Vermutlich erstmals als reiner Energiespeicher ist das Stahlschwungrad des Amerikaners John A. Howell von 1883 ausgelegt. Bei einer Masse von 160 kg, einem Durchmesser von 45 cm und einer maximalen Drehzahl von 21.000 U/min speichert es genug Energie, um einen Torpedo bei einer Geschwindigkeit von 55 km/h etwa 1,5 km weit durch das Wasser zu bewegen. Zum ‚Aufziehen’ innerhalb von 1 Minute wird eine Dampfmaschine eingesetzt.

1911 wird ein 44 t schweres Schwungrad mit einem Speicherinhalt von 34 kWh an einer elektrifizierten Bergeisenbahnstrecke in Italien installiert. 

In den zwanziger Jahren verwendet man dann Motorgeneratoren mit großen Schwungrädern, die Ilgner-Umformer, zum Abfangen von Lastspitzen in Walzwerken und bei Fördermaschinen. 1924 liefert die AEG einen Ilgner-Umformer, dessen Schwungrad einen Durchmesser von 4 m und eine Breite von 1 m hat. Bei 750 min-1 speichert es rund 166 kWh. Und bereits 1931 wird in Kursk in der ehemaligen Sowjetunion eine Schwungradenergiespeicheranlage in Verbindung mit einer Windkraftanlage betrieben. 

Nicht unerwähnt bleiben soll die Verwendung des Schwungrades bei Spielzeugen wie zum Beispiel Kreisel, Jo-Jo und Diabolo. Auch Spielzeugautos werden häufig mit Schwungradenergiespeichern angetrieben.

Im folgenden sind nun verschiedene Anwendungsbereiche aufgeführt, um einen Einblick in das aktuelle Nutzungsspektrum vom Schwungmassen-Energiespeichern zu geben.

Mechanische Energiespeicherung

Eine sehr fortschrittliche Anwendung ist das 1988 an der University of Ottawa entwickelte Schwungradsystem zur Speicherung von photovoltaisch erzeugtem Strom zum Betrieb von Signaleinrichtungen im Küstenschutz. Das Schwungrad besteht aus einer Aluminiumnabe und einer Schwungmasse aus glasfaser- und kohlefaserverstärktem Kunststoff und wiegt 186 kg. Der Energieinhalt beträgt bei 23.000 min-1 rund 8,5 kWh. 

Am Rutherford Appleton Laboratory in Großbritannien wird der Einsatz von Schwungradenergiespeichern in Verbindung mit dem Inselbetrieb von Windenergieanlagen. Dabei werden in einer Versuchsanlage eine Windkraftanlage mit einer Nennleistung von 45 kW, ein Dieselgenerator und ein Schwungradenergiespeicher zusammen betrieben. Das Schwungrad überbrückt Windlöcher im Minutenbereich und vermeidet dadurch häufige Starts des Dieselgenerators. Durch die kurzen Schaltzeiten des Schwungradspeichers, die im Millisekundenbereich liegen, werden zudem Leistungsfluktuationen aufgrund von Windböen vermindert. 

Die University of Maryland in den USA beschäftigt sich seit den siebziger Jahren mit Schwungrädern aus Faserverbundkunststoffen. 1992 wird hier ein Prototyp einer Schwungradspeicheranlage für den Einsatz in einem Satelliten entwickelt, der sich in einer erdnahen Umlaufbahn befindet. Während des 60-minütigen Intervalls, in dem der Satellit auf der sonnenzugewandten Seite der Erde fliegt, wird das Schwungrad mit Solarstrom aufgeladen und versorgt während der 30-minütigen Dunkelheitsphase die Bordgeräte mit Strom. 

Ebenso seit den siebziger Jahren betreibt auch das Lawrence Livermoore Laboratory in den USA Schwungradforschung. 1995 beginnt man hier mit der Entwicklung einer ‚Electromechanical Battery’ die aus ineinandergeschobenen Hohlzylindern besteht, die durch elastische Separatoren voneinander getrennt sind. 

Stabilisierungsschwungrad für Satelliten

Stabilisierungsrad
mit Optischem Sensor

Stabilisierung von Satelliten

A. Studer entwickelt für die NASA bereits 1972 magnetisch gelagerte Schwungräder zur Stabilisierung von Satelliten. Parallele Entwicklungen ab 1981 von Alan A. Robinson bei der ESA führen zu den ersten magnetisch gelagerten Schwungrädern im Weltraum auf dem französischen SPOT Satelliten 1986.

Die Tatsache, daß es in der Satellitenbranche keine magnetisch gelagerten Schwungräder für Kleinsatelliten gibt, führt ab Oktober 1994 zur Entwicklung eines entsprechenden Testmodells und drei Flugversionen durch die Universität Marburg und die TH Darmstadt.

Gegenwärtig bieten weltweit drei verschiedene Hersteller magnetisch gelagerte Schwungräder an, allerdings nur für wesentlich größere, meist geostationäre Plattformen.

Überbrückungsspeicher für elektrische Energie

Als Überbrückungsspeicher für kurzzeitige Stromausfälle werden bislang fast ausschließlich Akkumulatoren oder Notstromaggregate eingesetzt, um eine ununterbrochene Stromversorgung zu garantieren (UPS, Uninterrupted Power Supply).  

Eine Alternative hierzu bilden Schwungradspeicher, wie sie z.B. das US-Unternehmen Active Power Inc. in Austin, Texas, ab 1996 unter dem Label CleanSource in einer inzwischen sehr breiten Palette zwischen 100 kW und 2 MW anbietet. Die Speicher haben leise und reibungsarm gelagerte Schwungscheiben aus Stahl und integrierte Motor-Generator-Systeme, ihr Wirkungsgrad soll 99 % betragen. Das Unternehmen arbeitet u.a. mit Caterpillar zusammen, um auf den weltweiten Markt zu kommen. 

Einsatzgebiete sind neben den Netzausfällen auch das ‚power quality – local tuning’, also die Kompensation von Spannungsschwankungen, Oberschwingungen oder Unsymmetrien im Drehsstromsystem, sowie der Ausgleich von schwachen Netzen oder fluktuierender dezentraler Energieerzeugung ohne aufwendige Netzverstärkung. 

Schwungrad-UPS-Anlage

Schwungrad-UPS

Auch die amerikanische Pentadyne Power Corp. in Chatsworth, Kalifornien, arbeitet an kompakten Schwungrädern (aktive Magnetlagerung, 0,67 kW/h = 120 kW x 20 sec). Das Unternehmen stellt 1997 nach 5 Jahren Entwicklungszeit und einer Investition von 24 Mio. $ ein Schwungrad-betriebenes Fahrzeug vor. Ab 2001 wird die Technologie dann für den Einsatz zur Netzstabilisierung weiterentwickelt, die Feldtest erfolgen 2003. Ein Jahr darauf wird das erste Produkt vorgestellt: Die VSSdc+ Einheit kann für 5 Sekunden 220 kW, für 12,5 Sekunden 190 kW, für 15 Sekunden 170 kW, für 22,5 Sekunden 120 kW, oder für 45 Sekunden 60 kW liefern. Für größere Bedarfsmengen oder längere Zeiten lassen sich die Einheiten zusammenschalten. Der Vertrieb erfolgt unter dem Label ‚Liebert FS’ über das gleichnamige weltweit agierende Distributionsunternehmen. 

In den USA startet 2002 ferner ein DOE-gefördertes Projekt, bei dem ein Konsortium um Boeing ein 35 kWh Aggregat realisieren soll, das mit einer supraleitender Magnetlagerung ausgestattet ist und über mehrere Minuten 100 kW Leistung liefern kann.  

Auch in Japan werden Schwungräder der Leistungsklasse 0,5 bis 1 kWh entwickelt, und auch diese sind mit supraleitender Magnetlagerung ausgerüstet. 

Von der Firma Aerospatiale werden serienreife Schwungradspeicheranlagen für geregelte Notstromversorgungen von Fernmeldeeinrichtungen, Krankenhäusern und kerntechnischen Anlagen angeboten. Eines dieser Modelle mit einem 350 kg schweren Rotor aus Faserverbundkunststoff speichert 1 kWh und ist vollmagnetisch gelagert. 

Und bereits 1994 geben Wissenschaftler am amerikanischen Argonne National Laboratory in Illinois bekannt, daß sie für die Stromspeicherung ein nahezu reibungsfreies Lager entwickelt haben, das aus einem Dauermagneten besteht, der über dem magnetischen Feld eines Supraleiters schwebt. Der Reibungskoeffizient hat einen Wert von 0,0000009 – einige tausendmal niedriger als der der reibungsärmsten Kugellagern.

Die 1997 gegründete Beacon Power Corporation in Wilmington, Massachusetts, entwickelt ein weiteres Schwungrad-Energiespeichersystem, wobei der Schwerpunkt hier mehr bei der Stabilisierung des Stromnetzes insgesamt liegt. Für die Backup-Stromversorgung von Kommunikationseinrichtungen werden ab 2000 Schwungscheiben aus Fiberglas und Karbonfasern eingesetzt, die mit 22.500 Umdrehungen pro Minute rotieren. Das Unternehmen legt für seine Smart Power M5 bzw. Smart Energy 25 (kWh) Systeme auch das Konzept für eine Container-basierte Matrix von Speichern vor.

Im Jahr 2002 wird in Yorba Linda, Kalifornien, die Firma VYCON gegründet, die sich ebenfalls mit der Entwicklung von Schwungrad-Energiespeichern zur Stabilisierung des Stromnetzes und zur Überbrücken von Netzausfällen beschäftigt. Die Systeme sind mit berührungslosen, magnetischen Lagern ausgesetattet und für eine Lebensdauer von 20 Jahren ausgelegt.

Im August 2006 beginnt am Forschungszentrum der Pacific Gas and Electric in San Ramon ein 4-monatiger Versuchslauf mit sieben 6 kWh Schwungscheibenspeicher, jeder von der Größe eines kleinen Kühlschranks, die innerhalb von 15 Minuten gemeinsam 100 kW Strom laden bzw. abgeben können. Der Test wird vom U.S. Department of Energy (DOE) mitfinanziert. Für größere Anlagen entwickelt Beacon Power ein 25 kW Schwungrad, das zu Clustern in Größen von 1 MW bis 20 MW zusammengeschaltet werden kann. Das Unternehmen geht davon aus, daß eine in Schwungscheiben gespeicherte Strommenge von 100 MW ausreichen würde, um mit 90 % aller Spannungsschwankungen innerhalb des kalifornischen Stromnetzes fertig zu werden. Eine Speicheranlage mit 1 MW soll etwa 1,5 Mio. $ kosten. 

In Deutschland startet mit der Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) im Jahr 2000 ein Leitprojekt unter dem Namen DYNASTORE, bei dem ein Konsortium aus Industrie, Energiewirtschaft und Forschung einen energieeffizienten Schwungmassenspeicher der neuen Generation entwickeln soll.  

Die 450 kg schwere Scheibe mit einer Kapazität von 11 kW/h verfügt über eine Supraleiter-Magnetlagerung, die an der TU-Braunschweig entwickelt worden ist, dreht im Vakuum und soll binnen 20 Millisekunden für bis zu 20 Sekunden 2 MW Leistung abgeben können. Bei gleichzeitig reduziertem Wartungsaufwand will man die Lebensdauer mit der Zeit auf 20 Jahre erhöhen und die Stand-by-Verluste (hier hauptsächlich zur Kühlung der Supraleiter) um den Faktor 10 reduzieren. Die Förderung beträgt 4 Mio. Euro – die andere Hälfte der Kosten trägt die Industrie. 

Tatsächlich wird 2006 von der federführenden RWE-Piller GmbH ein komplett integriertes DYNASTORE-Speichermodul in Containergröße vorgestellt. Geplante Anwendung: DYNASTORE soll in Zukunft zahlreiche Diesel-Notstromgeneratoren überflüssig machen, denn die meisten Stromausfälle dauern nur wenige Sekunden. 

Anfang 2007 gibt die California Energy Commission (CEC) bekannt, daß man seit 2005 ein 100 kW Schwungspeichersystem von Beacon Power zur Stabilisierung des Stromnetzes als Prototyp für ein zukünftiges 20 MW System einsetzt. Mitte 2008 eröffnet Beacon Power sein neues Hauptquartier in Tyngsborough, Massachusetts, wo man mit der Herstellung von Schwungscheiben mit 1.270 kg Gewicht beginnen wird.

Speicher für Spitzenbedarfszeiten

Der bereits 1974 beschriebene Vorschlag stammt von dem Physiker Richard F. Post von der University of California und seinem Sohn Stephen. Es handelt sich um einzelne Speichereinheiten mit Kapazitäten zwischen 10 und 20 MW bei Radgrößen von 4 – 5 m, einem Gewicht von 100 – 200 t und einer Drehzahl von 3500 U/min.

Die möglichst unterirdisch zu installierenden Radgehäuse haben die Maße von 7 x 7 m. Das System bildet eine sehr gute Möglichkeit zur dezentralen Speicherung von lokal benötigter Spitzenzeitenergie. Die Lagerung der Schwungradspeicher kann eventuell sogar magnetisch erfolgen. Ein Physiker-Team der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, verbessert außerdem die Radkonstruktion, die nun aus übereinandergeschichteten Fiberharz-Ringen besteht, die mit einer kautschukartigen Masse verklebt sind – die Gummifugen dämpfen den Fliehkraft-Streß. Mit den zugfesten Kunststoff-Fasern, eingebettet in Kunstharze, läßt sich die Kapazität der Räder drastisch erhöhen. Dem Nylon verwandte Kevlar-Fibern speichern beispielsweise gefahrlos siebenmal soviel Rotationsenergie wie ein gleiches Gewichtsquantum aus der härtesten Stahllegierung.

Mit einer Kaskade solcher Energiespeicher ist es daher möglich, Elektriziätswerke rund um die Uhr mit gleichbleibender Leistung zu betrieben: Zur Zeit schwachen Strombedarfs werden die Schwungräder auf ihre volle Drehzahl beschleunigt; zu Zeiten des Spitzenbedarfs wird die gespeicherte Energie dann wieder abgerufen.

Auch Gulia (s. nächstes Kapitel) schwebt 1986 ein ‚Superschwungrad-Speicher’ für die Stromwirtschaft vor, dabei horizontal in die Erde eingelassen wird und mehrere hundert Meter Durchmesser hat. Es ist kein Rad im üblichen Sinne und hat auch keine Speichen, sondern besteht aus einem Rotor-Ring, der sich im Vakuum und magnetisch gelagert mit rasender Geschwindigkeit innerhalb eines Stator-Ringes dreht.

Heute sind schon mehrere Hundert Schwungmassenspeicher im Einsatz. Sie haben meist konventionelle, automatisch geschmierte Lager sowie Schwungräder aus Stahl. Entsprechend gering sind die Drehzahlen (2.000 – 3.000 U/min) und Energiedichten (ca. 3 kWs/kg). Damit werden Überbrückungszeiten von ungefähr 10 Sekunden erreicht. Die Leerlaufverluste machen ungefähr ein Prozent der Spitzenleistung aus, d.h. für 1 MW müssen permanent 10 kW investiert werden (Stand 2003). 

Speicher zur Erzeugung kurzzeitig extrem hoher Stromstöße

Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching bei München und die CERN bei Genf betreiben 1974 im Rahmen ihrer Plasmaforschung Speicherräder zur Erzeugung kurzzeitig extrem hoher Stromstöße für Fusionsexperimente. Die für diese Versuche benötigten Strommengen sind so groß, daß das öffentliche Stromnetz damit nicht belastet werden kann, ohne daß es sofort zusammenbrechen würde.  

Das Schwungrad in Garching besteht aus vier geschmiedeten Stahlscheiben konstanter Dicke, die auf eine gemeinsame Welle aufgezogen sind, hat einen Durchmesser von 3 m und wiegt 223 t. Es wird von der Bundesbahn im Kriechtempo auf einem Spezialtransporter mit 20 Achsen angeliefert.

Während der 20-minütigen Aufla­dezeit erreicht es eine Umdrehungszahl von 1.650 U/min, was den äußeren Kranz auf eine Geschwindigkeit von 900 km/h beschleunigt.

Die Nutzenergie von 1.450 MWs (= 400 kWh) kann ihm innerhalb von 10 Sekunden entnommen werden, womit eine sofortige Leistungsspitze von 155 MW für einen Zeitraum von 10 – 15 Sekunden zur Verfügung steht. Während der Energieentnahme sinkt die Drehzahl dabei auf 1.275 U/min. Aufgrund der kurzen Laufzeit und des vorherbestimmten Einsatzzeitpunktes der Anlage wird auf eine evakuierte Atmosphäre verzichtet, was allerdings zu Luftreibungsverlusten von 650 kW führt.

Speicher für mechanische Energie im Nahverkehr

Erstmals 1986 in russisch erschienen, und kurz vor dem Zusammenbruch der ehemaligen DDR ins Deutsche übersetzt, gibt es von Nurbej Vladimirovic Gulia, einem Fachmann für die Speicherung von Energie mittels Schwungrädern, das Buch ‚Der Energiekonserve auf der Spur’, in welchem er seine jahrzehntelange Arbeit an der Entwicklung effektiver Schwungrad-Speicher beschreibt. Er berichtet auch über verschiedene historische russische Projekte mit Schwungradspeichern, so den Dreirad-Personenwagen mit Tretantrieb und Schwungradspeicher des russischen Mechanikers I. P. Kulibin aus dem Jahre 1791, vom dem sich ein Modell im Maßstab 1:5 im Polytechnischen Museum in Moskau befindet, und dessen originales Schwungrad einen Durchmesser von ca. 150 cm bessen hat, bei einer Masse von 50 kg.

Kulibin Dreirad von 1791

Kulibin Dreirad (1791)

Um 1860 beschäftigt sich der russische Ingenieur-Leutnant Z. Schuberski mit dem Einsatz von Schwungrädern im Verkehrswesen. Dabei geht es um den Einsatz von sechs großen Schwungrädern aus Eisen (Durchmesser 3,6 m, Gewicht jeweils 5 t) in einem Schienenfahrzeug, welches bei Gefälle-Fahrten gebremst wird, wobei die überschüssige Energie gespeichert wird um bei ansteigenden Strecken genutzt zu werden.

1905 erhält der Engländer F. Lanchester ein Patent für einen Schwungrad-Motor. Sein System besteht aus zwei sich gegenläufug drehenden Schwungrädern, die an den Endhaltestellen mittels ortsfesten Antriebsmotoren oder eines eingebauten Elektromotors aufgeladen werden.

Gulia erwähnt auch das ,Gyroauto’ des russischen Ingenieurs P. Schilowski aus dem Jahr 1914, das in London ausgestellt wird und dort großes Interesse weckt. Schirinowskis Auto hat nämlich wie ein Fahrrad nur zwei Räder, hält sich jedoch ohne jegliche Abstützung in stabiler Lage, selbst wenn sich alle Fahrgäste auf die gleiche Seite setzten. Die Stabilität erlangt das Fahrzeug infolge des Kreiseleffekts seines Schwungrads.

Ein ähnliches Fahrzeug wird erst wieder 1961 von Ford unter dem Namen ,Gyron’ auf der Detroit Auto Show gezeigt, geht jedoch nie in Produktion. Es besitzt zwei Schwungräder, die ihm seine Stabilität verleihen.

Guila berichtet weiter über die sowjetische Schwungrad-Lokomotive für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bergwerken, deren Schwungrad eine Masse von 1,5 t hat, welche die Lokomotive mit angehängten Förderwagen nach einmaligem ‚Aufziehen’ mehrere Kilometer weit bewegen kann, sowie über den Schwungradspeicher des Technikers A. G. Ufimzew von 1924, den dieser für ein Windkraftwerk bei Kursk baut. Dessen Schwungrad mit einem Gewicht von 230 kg kann sich ohne Nachladen ungefähr 14 Stunden lang drehen und ist nach dem Aufladen in der Lage, mehrere elektrische Glühlampen eine Stunde lang mit Strom zu versorgen.

Ufimzew hat das Patent für seinen ‚Trägheitskraft-Akkumulator’ bereits 1918 erhalten und vorgeschlagen, den Antrieb in die Straßenbahnen seiner Heimatstadt Kursk einzubauen. Leider führt Gulia keinerlei Quellen an, die man hätte weiter recherchieren können.

An dieser Stelle begegnet uns auch die Wiederverwertung der Bremsenergie. So fahren zum Beispiel in New York seit längerem schon zwei Untergrundbahnen mit Schwungradenergie. Die Schwungräder laden sich bei jedem Bremsen wieder auf und geben ihre Energie beim Anfahren wieder an die Treibräder ab.  

Ähnlich funktionieren auch die in den 1950er Jahren in Dienst gestellten ‚Gyrobusse’, welche die Maschinenfabrik Oerlikon in der Schweiz gebaut hat und deren 1,5 t schweren Schwungräder aus Massivstahl bei eine Drehzahl von 3.000 U/min. einen Speicherinhalt von 9,15 kWh besitzen. Das Schwungrad läuft zur Verringerung der Luftreibungsverluste in einer Wasserstoffatmosphäre. Ein derartiger Bus hat damit eine Reichweite von 6 km, erst dann hat sich die Umdrehungszahl soweit vermindert, daß das Schwungrad elektrisch wieder aufgeladen werden muß. Dies kann an den Haltestellen über einen 380 V Netzabnehmer auf dem Busdach automatisch geschehen. Die Busse werden in Zürich eingesetzt, durch den später billig gewordenen Dieseltreibstoff allerdings 1969 wieder aus dem Verkehr gezogen. Inzwischen hat das Bergwerksmuseum Gonzen in Sargans, Kantor St. Gallen, die letzte existierende Grubenlok mit einem Stahlschwungrad, ebenfalls 1950 von Oerlikon gebaut, wieder hergestellt. Das Schwungradsystem wurde damals als ‚Elektrogyro’ bezeichnet, in Bussen und Lokomotiven eingebaut und weltweit exportiert. 

Die Firma MFO nimmt ihrerseits eine Werkslokomotive mit Schwungradenergiespeicherung in Gebrauch – allerdings springt diese, den Beharrungskräften folgend, oftmals aus den Schienen. An diesem Beispiel zeigt sich auch eine grundlegende Schwierigkeit der Schwungradspeicher bzw. der Auswirkungen der Beharrungskräfte rotierender Schwungmassen. 

Besonders in Amerika wird auf dem Sektor der Schwungmassen-Energiespeicherung intensiv geforscht. Die Firmen Garret und General Electric entwickeln bereits Ende der siebziger Jahre Schwungradenergiespeicheranlagen mit Stahlschwungrädern zur Rückgewinnung von Bremsenergie für den mobilen Einsatz. Den Anlagen ist gemeinsam, daß die Schwungräder aus mehreren dünnen Scheiben zusammengesetzt sind.  

Lockheed Missiles & Space Comp. stellt außerdem ein kombiniertes Benzinmotor/Schwungrad-Auto vor. Mit diesem Trick gelingt es, auch einen großen Wagen mit einem verhältnismäßig schwachen Motor anzutreiben, indem die im Schwungradspeicher vorhandene mechanische Energie für Spitzenleistungen (Start, Bergfahrt, Überholen usw.) genutzt wird, während das Schwungrad in Zeiten ausgeglichener Fahrt wieder aufgeladen wird. Die Schwungmasse ist übrigens bei diesem Fahrzeug zwischen Motor und Getriebe angeordnet und die Konstrukteure sprechen von einer erreichbaren Beschleunigung von 0 bis 130 km/h in nur 10 Sekunden! Bei dem Konzept ist auch wichtig, daß sich die Bremsenergie zurückgewinnen läßt und dem Schwungrad zugeführt wird. Die neuen Fiber-Kombinationen bei der Schwungradherstellung lassen es als möglich erscheinen, daß früher oder später reine Schwungrad-Autos gebaut werden können, die mit einem elektrischen Motor/Generator versehen sind, wobei das Fahrzeug vor Antritt der Fahrt aus dem elektrischen Netz aufgeladen wird. 

In den USA entwickelt die Boeing Vertol Company 1974 im Auftrag des Verkehrsministeriums ein modernes Kreiselsystem für Schnellbahnen, das magnetisch gelagert und in einer Vakuumkammer eingesiegelt ist. Der ‚Advanced Concept Train’ wird 1975 probegefahren.

Der Physiker Richard F. Post an der University of California und sein damals noch studierender Sohn Stephen schlagen die Umsetzung der Rotoren-Technologie als Variante zum Elektroauto mit Batterie-Speicher vor, denn (leichte) Faserverbund-Materialien machen es nun möglich, Kraftfahrzeuge über Schwungräder anzutreiben. Man kommt mit den leichtesten Werkstoffen sogar weiter, wenn sie nur zäh genug sind, denn was an Masse fehlt, wird durch höhere Drehzahlen mehr als wettgemacht.

Der Fahrer bringt das Schwungrad seines Elektromobils an einer Strom-Tankstelle auf Touren. Ein Wagen, der auf diese Weise 30 kWh elektrischer Energie speichert, ist überaus spurtstark und kommt mit Tempo 100 rund 320 km weit. Im Stadtverkehr ließe sich ein Großteil der beim Bremsen verlorengehenden Energie wieder zum Beschleunigen des Schwungrades nutzen.

Auch wenn der Wagen steht, verliert er kaum schneller Rotationsenergie, als Benzin aus dem Tank verdunstet. Die magnetisch gelagerte und vakuumversiegelte Schwungscheibe kann leicht mehrere Monate lang laufen. Man könnte das Auto daher während des Sommerurlaubs am Flughafen parken, und nach der Rückkehr hätte das Schwungrad noch genügend Kraft für die Heimfahrt.

Die US-Firmen Lears Motors und American Flywheel Systems in Südkalifornien erhalten von der Regierung einen 4,5 Millionen-Dollar-Auftrag mit der Auflage, bis 1978 ein mit zwei Schwungrädern versehenes Auto zu konstruieren. Das Fahrzeug soll – mit Haushaltsstrom aufgeladen – eine durchschnittliche Geschwindigkeit von 90 km/h und eine Spitzengeschwindigkeit von 160 km/h erreichen und dabei eine Reichweite von 80 km haben. Das Konzept der zwei Schwungscheiben zielt darauf ab, den einseitig ziehenden Kräften im Fahrzeug entgegenzuwirken, die bei der Nutzung nur einer Schwungscheibe unweigerlich auftreten. Der Schwungradspeicher soll rund 5.500 $ kosten und in ein Fahrzeug von GM eingebaut werden.  

Die Garrett Corp. arbeitet dagegen mit Schwungmassen aus Kevlar, denn die hieraus hergestellten Schwungräder können bei gleicher Kapazität wie konventionelle Typen wesentlich kleiner, leichter und schneller sein als diese. Das Kevlarrad von Garrett rotiert mit 25.000 U/min, es wird durch einen eigenen Elektromotor vor dem Start auf Schwung gebracht. Das Fahrzeug besitzt außerdem einen kompletten Satz Bleibatterien, aus denen der elektrische Fahrmotor während der Fahrt seine Kraft bezieht. Erst wenn dieser Motor zusätzliche Energieleistungen braucht, beim Anfahren und Überholen z.B., schaltet eine Elektronik die sich auf Abruf befindliche ‚Kreiselkraft’ hinzu. Das Auto hat als Viersitzer immerhin eine Reichweite von 136 km, was weitaus mehr ist, als bei allen anderen bislang gebauten Schwungradwagen. Allerdings ist auch das ganze Fahrzeugkonzept angepaßt, die Limousine besteht fast nur aus Kunststoff, um Gewicht zu sparen. Die integrierten Bleiakkumulatoren – es sind 18 Stück – liefern 108 Volt. 

Das Unternehmen, welches das Konzept der Schwungrad-U-Bahn in New York entwickelt hat, setzt sein System 1985 auch bei New Yorker Bussen ein. Die Fahrzeuge bekommen 340 kg schwere Schwungräder, welche durch eine kurze elektrische Oberleitung am Streckenanfang innerhalb von nur 90 Sekunden vollständig aufgeladen werden. Bei der maximalen Drehzahl von 16.000 U/min speichert das Rad 16 kW/h, was ausreicht, um mit Tempo 95 sechs bis acht Kilometer weit zu fahren. Die Beschleunigung auf 48 km/h erfolgt in 10 Sekunden. Gegenüber normalen Motorbussen sollen die Schwungrad-Busse sogar um 25 % billiger sein. 

Auch in Deutschland experimentiert man mit der Schwungradenergiespeicherung. Professor Jürgen Helling und seine Kollegen am Institut für Kraftfahrwesen der TH Aachen kombinieren bereits 1974 einen Verbrennungs- und einen Elektromotor mit einem Schwungrad und bauen das Ganze zum Test in einen VW-Transporter ein. An dem Konzept eines neuen Gyro-Bus arbeitet eine aus den Firmen Daimler Benz, MAN, Bosch und den Instituten für Kraftfahrzeugwesen der TH Aachen und für Fahrzeugtechnik der TU Berlin gebildete Arbeitsgemeinschaft. Das neue Konzept, das dem Schweizer Gyro-Bus ähnelt, vermeidet ebenfalls, sich nur auf eine einzige Antriebs- bzw. Speichermethode zu beschränken.  

MAN entwirft bereits 1978 im Auftrag des BMFT eine stationäre Schwungradenergiespeicheranlage, die zur Bremsenergiespeicherung an einer Gefällestrecke der Stuttgarter S-Bahn konzipiert wird. Das um eine Vertikalachse rotierende Schwungrad ist als Stahlscheibe gleicher Festigkeit mit äußerem Kranz bei einer Masse von 5 t ausgelegt. Seine Höchstdrehzahl beträgt 2.800 U/min in einer Luftatmosphäre mit einem Druck von 10 Millibar. Die MAN-Anlage wird jedoch nicht realisiert, so daß auch keine Betriebserfahrungen vor liegen. 

Einen Verbund von Elektro- und Verbrennungsmotor mit zwischengeschaltetem Schwungrad erprobt Mitte 1984 die Universität Kaiserslautern. Während der eingesetzte PKW mit Dieseltreibstoff läuft, wird gleichzeitig das Schwungrad angetrieben. Im Leerlauf und bei Null-Leistungszuständen wird der Motor abgeschaltet, kann aber durch das Schwungrad jederzeit schnell wieder gestartet werden. Besonders im Stadtverkehr reduziert diese Methode den Treibstoffverbrauch auf rund 3 Liter pro 100 km. 

Gulia beschreibt 1986 in seinem o.g. Buch ein ‚Superschwungrad’, das er im kleinen Maßstab schon erfolgreich erprobt hat. Es besteht nicht aus massivem Material, sondern z.B. aus einem hochfesten Stahlband, das zu einer Scheibe gewickelt wird. Damit kann es höhere Belastungen aushalten und wäre auch beim Bersten weniger gefährlich. Denn besser als durch mehr Masse läßt sich die Leistung von Schwungscheiben durch Tempo steigern: Die gespeicherte Energie wächst im Quadrat der Umlaufgeschwindigkeit: verdoppelt sich also die Drehzahl, dann vervierfacht sich die Energie; bei dreifacher Drehzahl verneunfacht sich die gespeicherte Energie. Außerdem denkt Gulia an eine magnetische Aufhängung des Schwungrads im luftleeren, reibungslosen Raum.

Umgesetzt hat er seine Innovation bei einem Go-Kart, für den er einen hybriden Antrieb entwickelt hat, bei dem das Schwungrad periodisch durch den Motor einer Elektrosäge nachgeladen wird.

Die Firma Magnet-Motor in Starnberg entwickelt den ‚Magnetdynamischen Speicher’, ein Hohlzylinderschwungrad aus glasfaserverstärktem Kunststoff, in dessen Inneren eine Permanentmagnetmaschine integriert ist. Die Rotormasse wird durch eine magnetische Lagerentlastung weitgehend getragen, und dei einer Drehzahl von 11.000 U/min enthält der Speicher eine Energie von 2,75 kWh. Er wird 1988 in Nahverkehrsbussen von MAN und Neoplan von den Münchner Stadtwerken getestet. 

Ein weiteres System wird an der ETH Zürich am Institut für Elektrische Maschinen entwickelt. Durch die Rückgewinnung der Bremsenergie (z.B. bei Ampelstops) ermöglicht ein Schwungrad von nur 4 kg, beim Starten die volle Beschleunigung für 10 Sekunden zu nutzen, obwohl im Grunde nur 80 W/h gespeichert werden. Da hierbei in kurzer Zeit hohe Leistungen aufgenommen und wieder abgegeben werden, wird das Schwungrad neben einer selbstzentrierenden Nabe auch mit einem neuen Wickelverfahren für Fasergewebebänder hergestellt, bei dem Unwuchtprobleme weitgehend eliminiert werden können. 

Mitsubishi baut 1981 und 1988 zwei Schwungradspeicheranlagen, die zur Spannungsstabilisierung und Bremsenergierückgewinnung an einer Eisenbahnstrecke eingesetzt werden. 

Auf Basis des Chrysler New Yorker entwickelt 1994 die Firma American Flywheel Systems (AFS) den Prototyp ‚AFS 20’, ein Elektromobil, das mit zwei gegenläufig rotierenden Schwungscheiben zur Energiespeicherung (s.d.) ausgestattet ist, die mit bis zu 200.000 Umdrehungen pro Minute rotieren. Der Wagen hat einen 136 PS Elektromotor, wiegt 1.530 kg, besitzt eine Reichweite von 600 km, und die Ladezeit beträgt 6 Stunden.

Patriot chwungrad-Rennwagen

Patriot

Auch beim 24-Stunden-Rennen von Le Mans will Chrysler Furore machen – mit einem 320 km/h schnellen Renner, dessen Flüssiggasturbine aus Keramik und Titan – eine Spezialanfertigung von lediglich 84,5 kg Gewicht und bis zu 100.000 Umdrehungen pro Minute – über einen Generator den 700 PS Elektromotor versorgt, der das Fahrzeug antreibt. Der ‚Chrysler Patriot’ verfügt zusätzlich über eine Karbon-Schwungscheibe von 61 kg, welche die entstehende Bremsenergie für Beschleunigungsvorgänge zwischenspeichert. Der Rennwagen solle eigentlich 1995 schon Rennen fahren, doch trotz mehrerer Anläufe gelingt es nicht, für die hochdrehende Schwungscheibe einen ausreichen sicheren Käfig zu bauen – und nachdem es sogar einen Unfall mit Todesfolge gibt, stellt Chrysler dieses Projekt ein, ohne daß der Wagen jemals zum Einsatz gekommen ist. 

An der TU Berlin besteht seit 1995 eine Projektwerkstatt, die sich ebenfalls mit dieser Technologie beschäftigt, wobei die Versuchsanlage mit nur 50 Wh allerdings ziemlich klein ist. Dafür werden Drehzahlen bis 100.000 U/min erreicht – allerdings nur mit hochfesten Faserverbundwerkstoffen. 

Ein Schwungradspeicher in Glockenform, der an einen Brummkreisel erinnert, wird 1998/1999 von dem Unternehmen WTZ für Motoren und Maschinenforschung in Rosslau, Sachsen-Anhalt, entwickelt und patentiert. Der Prototyp dieses Energiespeichers kann 60 kW bis 300 kW für 15 bis 60 Sekunden aufnehmen und soll in erster Linie Bremsenergie aufnehmen.

Im Jahr 2006 ist auf der Homepage des Unternehmens allerdings nichts darüber zu finden, was sich durch die zwischenzeitliche Ausgründung des Bereichs Energiesysteme zum eigenstämdigen Unternehmen rosseta Technik GmbH begründet (s.u.). 

Ebenfalls 1998 stellt die Universität Kaiserslautern einen Elektromotor mit Schwungradspeicher vor, der den Brennstoffverbrauch von Fahrzeugen um über 50 % senken kann. Bis dahin hatte ein damit ausgerüsteter Testwagen innerhalb von sechs Jahren rund 100.000 km zurückgelegt.  

Die wichtigsten Arbeiten auf dem Sektor der Schwungscheiben-Energiespeicherung konzentrieren sich inzwischen auf die Entwicklung neuer Materialien mit besonders hoher Zerreißfestigkeit. Es geht im Prinzip darum, möglichst große Energiemengen in möglichst leichten Schwungmassen unterzubringen. Der Einsatz von Fibermaterialien (DuPonts PRD 49, Fuses Silica, usw.) erlauben es, die Speicherkapazität dank höherer erreichbarer Umdrehungszahlen um bis zu 1.000 % zu steigern. Während Stahlräder von 1.000 kg Gewicht mit Geschwindigkeiten zwischen 1.500 U/min und 3.000 U/min rotieren, erreichen vom Energieinhalt gleichwertige Faserverbund-Räder mit sogar kleineren Durchmessern und nur 10 kg Gewicht Drehzahlen von 12.000 U/min bis 24.000 U/min. 

Bei sehr hohen Geschwindigkeiten, etwa ab Umfangsgeschwindigkeiten von 500 m/s, ist die Luftreibung jedoch schon so bedeutend, daß das Rad im Vakuum oder in mit Wasserstoff gefüllten Unterdruckkammern rotieren muß.  

Eine andere Entwicklungslinie betrifft neue Schwungradkonstruktionen wie z.B. das Fiberspeichen-Schwungrad ohne Ring, das an der John-Hopkins-Universität entwickelt wird, oder gar Räder, die aus vielen konzentrischen Ringen bestehen, die ineinander, durch elastische Zwischenlager getrennt, auf ein und derselben Achse angeordnet sind. Dabei werden in zunehmendem Abstand vom Zentrum immer leichtere Materialien verwendet. Bei der Fibertechnologie (zumeist Quarzfasern) ist außerdem die hohe Unfallgefährdung bei den hohen Umdrehungszahlen stark reduziert, was dadurch zustande kommt, daß sie – im Gegensatz zu Stahlrädern – bei ihrer Zerstörung nicht bersten, sondern einfach nur zerfasern oder sich sogar pulverisieren, falls es zur ‚Selbstdemontage’ kommt, wobei bis zu 95 % der gespeicherten Energie in Wärme umgesetzt wird. Außerdem erreichen die Kunstfaserverbundrotoren Energiedichten von bis zu 49 Wh/kg, während die Dichte bei Stahlrotoren zwischen 8 Wh/kg und maximal 26 Wh/kg beträgt. Inzwischen experimentiert man auch mit Diamantfasern als Schwungrad-Material. 

An der TU Braunschweig werden in Zusammenarbeit mit der DVLR Forschungen bezüglich der Verwendung der hochfesten Polyamidfaser Kevlar 49 angestellt, die auch von der DFG gefördert werden. Das Ziel ist die Entwicklung eines Schwungradspeichers mit einer Energiedichte von 56 Wh/kg. Wesentlich für die Weiterentwicklung ist aber auch ein ganz neuer Motortypus, die Reluktanzmaschine, die sich optimal als reaktionsschneller und verlustarmer Energiewandler für Schwungräder eignet (Stand 2004). 

Ein Feldtest läuft in Braunschweig: Die Bahnen der Linie 2 bremsen mit ihren Elektromotoren. Dabei wandeln sie die Bewegungsenergie in elektrischen Strom um und bringen dabei den Zug zum Stehen. Falls gerade keine andere Bahn die Energie braucht, wird eine drei Tonnen schwere Stahlscheibe im Betriebshof Leinhausen mit dem Strom in Rotation versetzt. Das Schwungrad treibt bei Bedarf einen Generator an, wobei die Vorrichtung etwa so viel Strom spart, wie 100 Vier-Personen-Haushalte verbrauchen (Stand 2006).

Auf der Hannover-Messe 2004 stellt die erst 2002 gegründete und sehr innovative Firma rosseta Technik GmbH Schwungrad-Energiespeicher vor, deren Kohlefaser-Schwungrad im Vakuum mit 25.000 Umdrehungen/Minute rotiert. Der Rand der 70-Zentimeter-Scheibe bewegt sich bei dieser Drehzahl mit dreifacher Schallgeschwindigkeit.  

Die Speicher können innerhalb von 30 Sekunden 350 kW aufnehmen oder abgeben und solle in erster Linie zur Speicherung der Bremsenergie von Schienenfahrzeugen dienen. Das Unternehmen bietet zwei Modelle an: Der T 1 mit einer maximalen Leistung von 150 kW und einem Gewicht von 800 kg (davon wiegt des Schwungradsystem alleine 540 kg), sowie den T 2 mit 350 kW und 1.200 kg (Schwungradsystem: 650 kg).  

Der Prototyp des Speichers T 1 wird im Jahr 2002 aufgebaut und verkauft. Ein zweites System mit weiterentwickelten Komponenten wird 2003 entwickelt. Ab Januar 2004 läuft dieses System im Labor des Unternehmens in der Dauerlauferprobung. Der erste Prototyp des Speichers T 2 wird im Herbst 2003 hergestellt, für seine Erprobung wird der Zeitraum bis Ende 2004 vorgesehen. 

Aufgebaut hat die rosseta Technik GmbH dabei auf den Grundlagenforschungen an Faserverbund-Schwungrädern, die 1995 mit einem ersten BMWi-Forschungsprojekt im Wissenschaftlich-Technischen Zentrum für Motoren- und Maschinenforschung (WTZ Roßlau) begonnen haben. Zwischen 1997 und 1999 wurden dort drei Experimentalsysteme mit Schwungrädern für 60 kW und 2 kWh aufgebaut und erprobt, bei Dauerlaufversuchen wurden allerdings Lager und Wellen zu heiß.  

rosetta T 2

rosetta T 2

In der dritten Etappe bis 2001 wurde gemeinsam mit der ALSTOM LHB GmbH versucht, zwei Schwungradsysteme für einen Nahverkehrszug aufzubauen. Innerhalb von 12 Monaten wurden drei Prototypen für 350 kW und 6 kWh aufgebaut. Der erreichte Stand war jedoch für einen Dauereinsatz im Zug noch nicht ausreichend. In der letzten Etappe der Schwungradentwicklung im WTZ Roßlau wurden die gesammelten Erkenntnisse in einem Schwungradsystem für 150 kW und 2 kWh angewendet, wobei es auch endlich gelang, zu einer stabilen Dauerlauffunktion zu kommen. Nach Erfahrungen der rosseta Technik GmbH beträgt die Selbstentladung der Schwungradspeicher rund 50 % innerhalb von 2 bis 4 Stunden. 

Die bisherigen Erfahrungen mit Schwungrad- oder Schwungmassenspeichersystemen sind vielversprechend. Nach dem Stand von 2003 sind Energiedichten bis 500 kWs/kg und Leistungen bis 50 MW erreichbar, die Lebensdauer-Zyklenzahl beträgt ca. 1 Million und die Energieeffizienz 90 % bis 95 %. Die als Zielwert genannten Kosten belaufen sich auf 1 T€/kWh Speicherkapazität. 

Im Oktober 2007 meldet die Presse, daß die neuen kleineren und schnelleren Energie-Rückgewinnungs-Schwungscheiben des britischen Unternehmens Flybrid Systems LLP aus Northamptonshire die angesetzten Formel-Eins-Crashtests am Cranfield Impact Centre erfolgreich bestanden haben. Das Flybrid kinetic energy recovery system (KERS), dessen Scheiben weniger als 5 kg wiegen und mit einer Geschwindigkeit über 60.000 U/min. rotieren,  ist mit einem stufenlosen Getriebe von Torotrak Plc und Xtrac ausgestattet.

Schwungrad-Chassis von PPM

Schwungrad-Chassis
(PPM)

In den britischen West Midlands sollen noch vor Ende 2008 zwei Hybrid-Leichttriebwagen mit einem Schwungrad-Energiespeicher zur Rückgewinnung von Bremsenergie ausgestattet werden. Die Wagen, die auf der Linie zwischen Stourbridge Junction und Stourbridge Town eingesetzt werden, stammen von dem 1992 gegründeten Unternehmen Parry People Movers Ltd. (PPML) und ersetzen die bisherigen Diesel-betriebenen Züge. Gebaut werden die neuen PPM 60 railcars von einer Gruppe britischer Unternehmen, darunter Clayton Equipment, East Lancashire Coachbuilders, Power Torque Engineering, Linde Hydraulics und Brecknell Willis Composites.

PPM hat bislang 12 Fahrzeuge herstellen lassen, mit einem Fassungsvermögen zwischen 2 und 50 Personen. Das typische Schwungrad besteht aus einem Stahl-Laminat, hat 1 m Durschmesser, wiegt 500 kg und rotiert mit einer maximalgeschwindigkeit von 2.500 U/min. Als Reserve haben die PPM 60 railcars außerdem einen 2 l Dieselmotor von Ford an Bord.

Die typischen Maße eines PPM 50 railcars, wie er bereits verschiedentlich eingestzt wird, betragen: Länge 8,7 m, Breite 2,4 m, Höhe 3,2 m.

Bei der Anwendung modernster Technologien und Komponenten weisen Schwungradspeicher mehrere positive Eigenschaften auf:

  • Große Energiespeicherkapazität (= großer Energieinhalt)
  • Hohe gewichts- und/oder volumenspezifische Energie
  • Schnelle Ladung und Entladung möglich
  • Kurze Energieanstiegszeit
  • Hoher Gesamtwirkungsgrad
  • Hohe Lebensdauer
  • Geräusch- und emissionsloser Betrieb
  • Weitgehende Temperaturunempfindlichkeit
  • Nachteilig an einem Schwungradspeichersystem sind die relativ hohen Investitionskosten und die bis zur Massenfertigung erforderlichen Entwicklungsausgaben.