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  1. Grundlagen der Schwungradtechnik

    1. Die Schwungradenergiespeicheranlage
    2. Bild 8: Schema einer Schwungradenergiespeicheranlage

      Eine Schwungradenergiespeicheranlage zur Speicherung elektrischer Energie hat prinzipiell den oben abgebildeten Aufbau. Kernstück der Anlage ist das Schwungrad an sich. Es ist mechanisch an die elektrische Maschine gekoppelt. Der rotierende Teil der Anlage ist über die Lagerung mit dem Schwungradgehäuse verbunden. Das Schwungradgehäuse wird durch die Vakuumpumpe evakuiert, um die Luftreibungsverluste zu verringern.

      Falls der Schwungradspeicher an ein Drehstromnetz angeschlossen ist, muß der in der elektrischen Maschine erzeugte Strom variabler Frequenz mit Hilfe des Umrichters in einen Strom mit Netzfrequenz umgewandelt werden. Dies kann auch durch ein stufenlos verstellbares mechanisches Getriebe erreicht werden, das zwischen Schwungrad und elektrischer Maschine eingebaut ist. In einem Mikroprozessor werden die erfaßten Betriebsdaten verarbeitet und Signale für die Regelung der Anlage errechnet.

    3. Schwungradform
    4. Ein Schwungrad speichert Energie in Form von Rotationsenergie. Bei Verwendung von stark elastischen Materialien wird zusätzlich potentielle Energie gespeichert. Dieser Anteil ist aber bei Stahl und faserverstärkten Kunststoffen aufgrund der geringen Verformungen unter Fliehkraftbelastung vernachlässigbar. Somit ergibt sich die gespeicherte Energie zu

      (1)

      E Rotationsenergie

      J Massenträgheitsmoment

      w Winkelgeschwindigkeit

       

      Das Massenträgheitsmoment wird durch die Dichte des Schwungradmaterials und die Form des Schwungrades festgelegt. Der Energieinhalt wird durch eine maximale Drehzahl begrenzt, bei der die zulässige Materialbelastung erreicht wird.

      Die massenspezifische Energiedichte ist ein geeignetes Maß, um verschiedene Kombinationen von Schwungradformen und Materialien miteinander vergleichen zu können. Die Energiedichte soll im folgenden hergeleitet werden. Dazu werden die Spannungen innerhalb des Rades betrachtet.

      Aus den Verformungsbedingungen, den Hooke'schen Gesetzen und den Gleichgewichtsbedingungen für ein infinitesimal kleines Volumenelement läßt sich ein Differentialgleichungssystem aufstellen. Dabei wirken die Gewichtskraft, die Fliehkraft, das Antriebsmoment bei Beschleunigung oder Verzögerung, eventuell ein Kreiselmoment, Temperatur- und Druckdifferenzen als äußere Lasten auf das Schwungrad. In diesem Gleichungssystem läßt sich mit mehr oder weniger viel Aufwand der Belastungszustand an einem beliebigen Ort des Schwungrades in Form des Spannungstensors berechnen.

      In einem schnell rotierenden Schwungrad ist die Fliehkraftbelastung dominierend. Die anderen Lasten können vernachlässigt werden [1]. Somit ergibt sich für die sechs voneinander unabhängigen Elemente des Spannungstensors si:

      , (2)

      r Dichte

      ra Außenradius des Schwungrades

      Ki Funktionen, die nur von der Schwungradform und den Zylinderkoordinaten r,j und z abhängig sind

       

      Aus den einzelnen Komponenten dieses mehrachsigen Spannungszustandes wird mit Hilfe einer Festigkeitshypothese eine Vergleichsspannung sv errechnet, die einer äquivalenten Belastung im einachsigen Spannungszustand entspricht:

      , (3)

      Die größte im Schwungrad auftretende Vergleichsspannung muß mit der zulässigen Materialbelastung des einachsigen Spannungszustands verglichen werden. Bei der zulässigen Materialbelastung muß die Dauerfestigkeit und die Sicherheit berücksichtigt werden, so daß dieser Wert weit unter der Streckgrenze liegt. Dabei kann der Term rw2ra2 aus der Festigkeitshypothese ausgeklammert werden:

      (4)

      Diese Gleichung wird nach w2 aufgelöst und in die Gleichung (1) eingesetzt. Zudem werden beide Seiten der Gleichung durch die Masse m geteilt:

      (5)

      Den ersten Teil dieser Gleichung faßt man zu einem Faktor zusammen:

      (6)

      Dieser Faktor wird Formfaktor genannt und ist nur von der Form und nicht vom Material und den Abmessungen des Schwungrades abhängig. Sein Wert variiert zwischen 0 und 1 und beschreibt, wie gleichmäßig das Material der Schwungscheibe belastet ist. Bei einem Formfaktor von 1, der nur in der Theorie erreicht wird, herrscht an jeder Stelle die gleiche Vergleichsspannung. Bei einem kleineren Formfaktor hat die Vergleichsspannung an einem Ort der Scheibe die zulässige Spannung schon erreicht, während die übrigen Bereiche noch geringer belastet sind. In der Tabelle 1 sind die Formfaktoren für die üblichen Schwungradformen aufgeführt.

      Tabelle 1: Formfaktor für einige gebräuchliche Schwungradformen [1,21]

      Setzt man nun die Gleichung (6) in die Gleichung (5) ein, erhält man schließlich die allgemeine Gleichung für die massenspezifische Energiedichte:

      (7)

      Die massenspezifische Energiedichte ist gut geeignet, eine Abschätzung für ein Schwungrad zu treffen. Man wählt beispielsweise bei einem geforderten Energieinhalt eine Schwungradform und einen Werkstoff und kann somit die benötigte Schwungmasse direkt berechnen.

      Die Schwungradgeometrie ist direkt abhängig von der Werkstoffwahl. Man unterscheidet hier zwischen isotropen und anisotropen Materialien. Die Festigkeit eines isotropen Materials ist von der Belastungsrichtung unabhängig. Als typischer Werkstoff für Schwungräder mit isotropen Materialeigenschaften ist Stahl zu nennen.

      Die klassische Form von Schwungrädern aus Stahl ist das Rad mit Speichen, bei dem fast die gesamte Masse auf dem größten Durchmesser sitzt. Das Rad ist über Speichen oder eine dünne Scheibe mit der Nabe verbunden. Vorteil dieser Form ist das sehr hohe Massenträgheitsmoment. Allerdings ist die maximale Drehzahl durch das frühzeitige lokale Erreichen der zulässigen Spannung in den Speichen stark eingeschränkt, so daß sich ein großer Energieinhalt nur über eine sehr hohe Schwungmasse erreichen läßt.

      Andere Formen sind kompakte, massive Scheiben oder Zylinder. Hier sind die Spannungen im Zentrum des Schwungrades am größten. Die Bereiche am Rand der Scheibe sind nur schwach belastet. In einer dünnen Scheibe herrscht näherungsweise ein zweiachsiger Spannungszustand, und mit zunehmender Scheibendicke bauen sich zusätzlich zu den radialen und tangentialen Zugspannungen noch axiale Druckspannungen auf. Hierdurch wird die Festigkeit des Rotors und damit die zulässige Drehzahl vermindert.

      Dem Problem der ungleichmäßigen Materialbelastung trug Carl Gustav de Laval schon Ende des letzten Jahrhunderts Rechnung, allerdings in Hinblick auf die Konstruktion von Turbinenrädern. Er entwarf eine massive Scheibe, die derart profiliert ist, daß die durch die Fliehkräfte hervorgerufenen Materialspannungen an jedem Ort der Scheibe gleich groß sind. Dieser Scheibe wird somit ein Formfaktor von 1 zugeordnet. Voraussetzung dafür ist, daß das Produkt aus Drehzahl und Radius unendlich groß ist.

      Bei endlichen Drehzahlen und Radien fällt die Spannung in radialer Richtung im äußeren Durchmesserbereich ab. Um dennoch eine gleichmäßige Spannungsverteilung zu erzwingen, wird am Rand der Scheibe ein Kranz angebracht, der die notwendige Radialspannung in der Scheibe erzwingt und gleichzeitig zur Festigkeit des Schwungrades beträgt. Mit dieser Scheibengeometrie können Formfaktoren von bis zu 0,95 erreicht werden.

      Bei massiven Schwungrädern sind zentrale Bohrungen für die Welle oder für Bolzen unbedingt zu vermeiden. Es kommt am Rand der Bohrung zu einer Verdoppelung der Tangentialspannung, da die Radialspannung entfällt. Diese Stelle wird damit zur schwächsten im ganzen Schwungrad. Eine kleine Bohrung hätte somit eine Halbierung des maximalen Energieinhaltes zur Folge.

      Werden anisotrope Materialien verwendet, so macht es keinen Sinn, einen möglichst hohen Formfaktor zu haben. So besitzen faserverstärkte Kunststoffe eine Festigkeit in Faserrichtung, die rund zwanzigmal höher als die Festigkeit senkrecht zur Faserrichtung sein kann. Man benötigt also eine Scheibenform, in der ein möglichst einachsiger Spannungszustand herrscht. Der dünne Ring erfüllt diese Forderung am besten, denn er ist hauptsächlich mit Tangentialspannungen belastet. Dennoch sind die Radialspannungen so hoch, daß die Belastung quer zur Faserrichtung überschritten wird, bevor die zulässige Spannung in Faserrichtung erreicht wird.

      Heute werden sehr häufig Kunststoffschwungräder eingesetzt, die aus mehreren, ineinandergesteckten dünnen Ringen bestehen. Dabei muß darauf geachtet werden, daß die Radialspannungen durch Wechselwirkungen der Ringe untereinander nicht erhöht werden. Deshalb werden die Ringe mit elastischen Abstandhaltern oder Federelementen entkoppelt.

      Eine andere Möglichkeit der Radialspannungsminderung besteht darin, daß die einzelnen Ringe mit Kegelpreßsitzen ineinander gefügt werden. So werden radiale Druckeigenspannungen in dem Schwungrad erzeugt, die die radialen Zugspannungen im Betrieb verringern.

      Mit den faserverstärkten Kunststoffen erleben die Speichenschwungräder eine Renaissance. Im Idealfall lassen sich die Tangentialspannungen auf den Ring und die Radialspannungen auf die Speichen aufteilen, so daß man die geforderte Einachsigkeit der Belastung erhält. In der Realität treten aber im Ring Biegespannungen auf, und die Verbindung der Speichen mit der Nabe bereitet einige Probleme.

      Nicht unerwähnt bleiben soll das Schwungradkonzept mit einer Tragkonstruktion und aufgewickeltem Stahlseil als Speichermasse. Dabei ist das Stahlseil als anisotropes Material zu betrachten. Doch ist bislang noch kein Stahlseilrotor über das Konzeptstadium hinausgekommen.

      Zur Erhöhung des Energieinhaltes besteht neben der Formoptimierung und Drehzahlerhöhung noch die Möglichkeit, mehrere Schwungscheiben auf einer gemeinsamen Welle anzuordnen.

    5. Werkstoffe
    6. Wie schon im Kapitel 4.2 erwähnt, werden die Schwungradmaterialien in isotrope und anisotrope Werkstoffe unterteilt. Ihnen werden Schwungradformen zugeordnet, deren Belastungszustände mit den Werkstoffeigenschaften harmonieren. Zum Vergleich verschiedener Werkstoffe wird oft die spezifische Festigkeit herangezogen, die sich als Quotient aus Zugfestigkeit und Dichte eines Materials ergibt. Eine hohe spezifische Festigkeit hat nach Gleichung (7) eine hohe spezifische Energiedichte zur Folge.

      In den letzten Jahrhunderten wurden hauptsächlich isotropische Werkstoffe zur Konstruktion von Schwungrädern verwendet, und auch heute bestehen die Schwungräder mit hohen Energieinhalten aus isotropischen Materialien. Ihre spezifischen Festigkeiten sind im Vergleich mit anisotropischen Werkstoffen geringer, dafür lassen sich aber Formfaktoren von bis zu 0,95 realisieren.

      Problematisch sind die Versagensmuster von Schwungrädern aus isotropischem Material. Sie brechen in mehrere große Stücke auseinander und enthalten dabei sehr viel kinetische Energie. Das Schwungradgehäuse muß so dimensioniert werden, daß es die auseinanderfliegenden Bruchstücke auffangen kann. Bei der Konstruktion muß ein hoher Sicherheitsfaktor berücksichtigt werden, was den maximalen Energieinhalt schmälert. Wenn eine hohe Energiedichte erreicht werden soll, muß ein Schwungrad aus isotropischem Material vor dem Zusammenbau der Anlage und in regelmäßigen Abständen während des Betriebs mit Ultraschall zerstörungsfrei auf Risse geprüft werden.

      Hochfester Stahl ist ein üblicher Schwungradwerkstoff. Stahlguß bietet sich zur Herstellung komplizierterer Schwungradformen wie der Scheibe gleicher Festigkeit an. Bei größeren Schwungrädern werden die Wandstärken jedoch so groß, daß die Gußqualität nicht mehr ausreichend ist und die Festigkeitswerte stark herabgesetzt werden müssen.

      Im Gegensatz dazu kann man mit freiformgeschmiedetem Vergütungsstahl selbst große Schwungräder mit hohen Festigkeiten herstellen, diese sind dann jedoch rund 65 % teurer [22]. Der Vergütungsstahl 30 CrNiMo 8, der im Turbinen- und Fahrzeugbau für schwingend beanspruchte Bauteile eingesetzt wird, hat beispielsweise eine Streckgrenze von 1050 N/mm2. Doch nicht die hohe Festigkeit allein ist ausschlaggebend für einen Werkstoff. Da ein Schwungrad während des Be- und Entladevorgangs einer Veränderung der Last unterworfen ist, erfährt ein Schwungrad abhängig vom Lastzyklus eine sehr hohe Lastwechselzahl über seine Einsatzdauer. Daher ist eine hohe Dauerfestigkeit und somit ein hoher Zähigkeitswert vom Schwungradmaterial gefordert. Andere isotrope Materialien wie Gußeisen, Bronze oder Holz werden kaum noch benutzt, da sie nur bei niedrigen Umfangsgesch windigkeiten eingesetzt werden können.

      Die anisotropen Werkstoffe gewinnen dagegen zunehmend an Bedeutung. Besonders in der mobilen Schwungradanwendung sind sie den Stahlschwungrädern wegen ihren höheren spezifischen Festigkeiten und spezifischen Energieinhalten und damit geringeren Massen eindeutig überlegen. Ihr Versagensverhalten ist nicht so gefährlich, denn es kommt zuerst zu einem Versagen der Kunststoffmatrix. Es tritt eine Delaminierung in radialer Richtung ein, wobei das Schwungrad seine Festigkeit in Faserrichtung nicht verliert. Daher kommt man mit einfacheren und damit leichteren Gehäusen aus.

      Neben dem Vergütungsstahl sind die faserverstärkten Kunststoffe die wichtigsten Konstruktionsmaterialien für Schwungräder. Dazu zählen der glasfaserverstärkte Kunststoff (GfK), der kohlefaserverstärkte Kunststoff (CfK) und der aramidfaserverstärkte Kunststoff (unter dem Handelsnamen Kevlar bekannt). Bei den faserverstärkten Kunststoffen werden die Fasern unidirektional in eine Matrix eingebettet. Die Matrix dieser Materialien besteht in der Regel aus verschiedenen Epoxyd-Harzen. Der Verbundstoff hat eine um 50 % geringere Festigkeit im Vergleich zur reinen Faserfestigkeit.

      Das preisgünstigste Material ist der glasfaserverstärkte Kunststoff. Seine Zugfestigkeit in Faserrichtung ist geringfügig höher, seine Dichte ist rund viermal geringer. Damit ist seine spezifische Zugfestigkeit viermal höher als die von hochfestem Vergütungsstahl. Da sein Elastizitätsmodul niedrig ist, dehnt sich ein Schwungrad aus GfK bei Rotation relativ stark aus, was zu dynamischen Problemen führt und die Schwungrad/Nabe-Verbindung verkompliziert. Die Ermüdungsfestigkeit ist mehr als 70 % geringer als die Zugfestigkeit, da es zu einer Oberflächenschädigung im mikroskopischen Bereich kommt.

      Der aramidfaserverstärkte Kunststoff besitzt eine höhere Zugfestigkeit und eine niedrigere Dichte als GfK. Er ist als Kevlar 49, Kevlar 29 und Kevlar 950 T erhältlich und kostet erheblich mehr als GfK. Da in Faserverbundschwungrädern bei geeigneter Formgebung nur Zugspannungen auftreten, spielt der Hauptnachteil von Kevlar, sein schlechtes Verhalten bei Druckspannungen, keine Rolle. Bei der Dimensionierung muß der deutliche Abfall der Festigkeit unter statischer Last berücksichtigt werden, denn die Zugfestigkeit beträgt nach 1000-stündiger statischer Belastung nur noch 60-80 % der ursprünglichen.

      Der teuerste Werkstoff dieser Gruppe ist der kohlefaserverstärkte Kunststoff. Seine Festigkeit und sein Elastizitätsmodul sind höher als die seiner Konkurrenten. Ein weiterer Vorteil ist, daß der Elastizitätsmodul von CfK sehr gut maßgeschneidert werden kann. So ist es bei einem Schwungrad aus konzentrischen Ringen möglich, die geringer belasteten inneren Ringe aus elastischerem CfK zu fertigen und somit Materialkosten zu sparen.

      Über das Ermüdungsverhalten von Kevlar und CfK finden sich in der Schwungradliteratur widersprüchliche Aussagen. Bei Canders [9] hat CfK ein deutlich geringeren Abfall der Festigkeit unter schwingender Belastung im Vergleich zu Kevlar, Genta [1] stellt es genau umgekehrt dar. Einig sind sich beide darin, daß sowohl CfK als auch Kevlar ein besseres Dauerfestigkeitsverhalten als GfK aufweisen.

      Das Stahlseil ist in diesem Zusammenhang als kostengünstiges anisotropes Material anzusehen. Es besitzt eine Zugfestigkeit von bis zu 2500 N/mm2 bei Durchmessern unter 1 mm, womit es mit CfK und Kevlar konkurrieren kann. Weiterhin ist die Dauerfestigkeit von Stahlseil sehr hoch. Über eine Einbettung von Stahlseil in eine Kunstharzmatrix konnte jedoch nichts in Erfahrung gebracht werden. Es hat allerdings einige Experimente mit aufgewickeltem Stahlseil als Speichermasse von Schwungrädern gegeben.

    7. Lagerung
    8. Die Lagerung von Schwungrädern stellt sich neben der eigentlichen Schwungradgestaltung als das schwierigste Problem beim Entwurf einer Schwungradspeicheranlage dar. An die Lagerung werden mehrere Anforderungen gestellt.

      Die Lager müssen hoch belastbar sein, da sie das Rotorgewicht tragen und zusätzlich Unwuchtkräfte und eventuell auftretende Kreiselmomente aufnehmen. Zudem müssen die Lager eine hohe Drehzahlgrenze aufweisen, denn das Schwungrad rotiert mit sehr hohen Drehzahlen. Eine weitere Forderung ist eine geringe Reibung der Lager, um Energie auch über eine Zeitdauer von mehreren Stunden ohne allzu große Verluste speichern zu können. Da das Schwungrad zur Verringerung der Luftreibungsverluste häufig in einem Vakuum läuft, müssen die Lager und die Schmier- und Druckmittel für einen Einsatz bei geringen Drücken geeignet sein. Die letzte Forderung ist schließlich eine akzeptable Lebensdauer.

      Für den Einsatz in Schwungradenergiespeicheranlagen stehen Wälzlager, Gleitlager und magnetische Lager zur Verfügung:

      1. Wälzlager
      2. Die einfachste Art von Lagern sind die Wälzlager. Sie unterliegen jedoch Beschränkungen, die ihren Einsatz für die Lagerung von größeren Schwungrädern problematisch macht. Die Drehzahlgrenze sinkt mit zunehmendem Lagerdurchmesser, gleichzeitig steigen die Tragfähigkeit und die Lagerreibung. Sowohl die hohe Drehzahl als auch die hohe Belastung wirken lebensdauerverkürzend. Bei der Auslegung der Lagerung müssen daher Kompromisse gemacht werden.

        Auch sollte ein Arbeitszyklus des Speichers vorliegen, bei dem kurze Einsatzzeiten langen Stillstandszeiten gegenüberstehen. Eine Ölnebelschmierung ist wegen der Vakuumatmosphäre nicht möglich. Eine Ölumlaufschmierung ist dagegen gut geeignet und dient gleichzeitig der Wärmeabfuhr. Wälzlager werden in großen Stückzahlen gefertigt und sind daher kostengünstig in der Anschaffung.

      3. Gleitlager
      4. Bei den hydrostatischen Gleitlagern werden die Laufflächen durch einen Ölfilm mit einer Dicke von einigen hundertstel Millimetern voneinander getrennt. Der zur Aufnahme der Lasten nötige Öldruck wird durch eine externe Pumpe erzeugt. Die Verlustleistung setzt sich aus Pumpenleistung und Reibleistung im Lager zusammen. Da der Öldruck so geregelt ist, daß sich die Laufflächen nicht berühren, sind hydrostatische Lager praktisch verschleißfrei. Sie sind geeignet, hohe Lasten bei allen Drehzahlen aufzunehmen.

        Im Gegensatz dazu baut sich bei den hydrodynamischen Gleitlagern die Tragkraft durch die Strömung des Öls in keilförmigen Lagerspalten ohne zusätzliche Druckversorgung auf. Es besteht keine Last- und Drehzahlbeschränkung nach oben. So werden hydrodynamische Gleitlager auch zur Lagerung von Dampfturbinen eingesetzt.

        Nachteilig für den Schwungradeinsatz wirkt sich aus, daß die Tragkraft drehzahlabhängig ist und beim An- und Abfahren ein Gebiet mit teilweiser Festkörperreibung durchfahren wird. Diese führt zu Abrieb und somit zu einer Verringerung der Lebensdauer. Abhilfe kann hier durch eine hydrostatische Anfahrhilfe geschaffen werden, die im niedrigen Drehzahlbereich zusätzlichen Öldruck durch eine Pumpe bereitstellt.

      5. Magnetische Lager
      6. Mit den magnetischen Lagern bzw. der magnetischen Lagerentlastung besteht eine effektive Möglichkeit, die Last von konventionellen Lagern zu verkleinern oder diese ganz zu ersetzen. Es sind kleine Schwungräder ausgeführt worden, die vollmagnetisch gelagert sind. Bislang wurde die magnetische Lagerung für Großschwungräder in der Schwungradliteratur als ungeeignet betrachtet, doch hat die Firma ABB 1988 eine vollmagnetisch gelagerte Kühlmittelpumpe für Kernkraftwerke gebaut, deren Rotor mit einer Masse von 2 t und einer Drehzahl von bis zu 7000 min-1 läuft [23].

        Bild 9: Prinzipbild eines magnetischen Axiallagers

        Magnetische Lager werden passiv mit Permanentmagneten, mit aktiv geregelten Elektromagneten oder einer Kombination aus beiden ausgeführt. Hinsichtlich der Verluste sind sie den herkömmlichen Lagern bei weitem überlegen, da die rotierenden und die festen Teile durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind. Allerdings steigen der Regelungsaufwand und damit die Kosten an. Eine axiale Lagerung ist bei magnetischen Lagern günstiger als eine radiale, da in der Welle weniger Wirbelstromverluste anfallen.

        Nachteilig an den hydrostatischen Gleitlagern und den magnetischen Lagern ist, daß mit erheblichem konstruktivem Aufwand für den Fall Vorkehrungen getroffen werden müssen, daß die Energieversorgung für die Öldruckpumpe bzw. die Elektromagneten ausfällt. Dies ist für den Elektromagneten gravierender, denn die Tragkraft bricht in diesem Fall schlagartig zusammen, während der Öldruck allmählich abfällt. Das Schwungrad muß dann von einer Notlagerung aufgenommen werden, die derart dimensioniert ist, daß sie dem Stoß und der Lagerbelastung bis zum Stillstand des Schwungrades standhalten kann.

      7. Anordnung

      Bild 10: Anordnungen von Schwungrädern

      Die Schwungradwelle kann sowohl horizontal als auch vertikal angeordnet werden. Bei einer horizontalen Anordnung werden die Gewichtskraft und die Unwucht gleichmäßig auf beide Radiallager verteilt. Axiale Kräfte treten bei dieser Anordnung nicht auf.

      Nachteilig wirkt sich aber ein umlaufendes Biegemoment aus, das von der Gewichtskraft hervorgerufen wird und an der Verbindung von Welle und Schwungrad am größten ist. Zwar ist diese Belastung um eine Größenordnung kleiner als die Fliehkraftbelastung, es tritt aber bei jeder Umdrehung ein Lastwechsel auf und nicht wie bei der Fliehkraftbelastung nur bei jedem An- und Abfahren des Schwungrades. Zudem ist die Mittelspannung der Zugschwellbelastung sehr hoch.

      Die vertikale Anordnung benötigt ein Axiallager zur Aufnahme der Gewichtskraft und ein oder zwei Radiallager zur Führung und zur Aufnahme der Unwucht. Bei dieser Anordnung sind verschiedene Lagerkombinationen denkbar. Als Axiallager könnte ein hydrostatisches Gleitlager oder ein Magnetlager und als Radiallager ein Rollenlager verwendet werden. Bei reiner Wälzlagerung stößt das Axiallager irgendwann an die Grenze seiner Belastbarkeit. Durch eine Parallelschaltung von zwei oder mehr Axialwälzlagern kann eine Verteilung der Axiallast auf mehrere Lager herbeigeführt werden. Wenn ein Lager zwar der Belastung standhalten, aber die Grenzdrehzahl nicht einhalten kann, so erreicht man durch eine Reihenschaltung von zwei identischen Lagern, daß sich die Drehzahl halbiert.

      Bild 11: Parallel- und Reihenschaltung von Schulterkugellagern zur Verringerung der Belastung bzw. der Drehzahl

      Durch Zusammenschalten mehrerer Schwungräder läßt sich der Energieinhalt einer Schwungradspeicheranlage erhöhen, ohne die Abmessungen der Anlage in radialer Richtung und die Drehzahl zu erhöhen. Zudem verhält sich ein aus mehreren kleinen Scheiben zusammengeschaltetes Schwungrad hinsichtlich des Bauteilversagens weniger gefährlich als ein großes Schwungrad gleichen Energieinhaltes.

      Bild 12: Zusammenschaltung von zwei oder mehr Schwungrädern zu einer Anlage

      Das Zusammenschalten von Schwungrädern bei vertikaler Welle bedeutet eine weitere Belastung des axialen Traglagers und ist damit eher ungünstig. Die horizontale Anordnung ist in diesem Fall günstiger. Der modulare Aufbau hat Vorteile bezüglich des dynamischen Verhaltens. In der MAN-Studie wird zudem nachgewiesen, daß die modulare Anordnung gleiche Lagerverluste wie die zusammengefaßte hat. Beide Anordnungen haben zudem eine geringere Lagerreibung als ein einziges größeres Schwungrad gleichen Energieinhalts [7].

    9. Gehäuse und Vakuum
    10. Das Schwungrad läuft in der Regel in einem geschlossenen Gehäuse. Dabei erfüllt das Gehäuse mehrere Aufgaben, es dient zur Verringerung der aerodynamischen Reibung und somit auch als Schutz vor Überhitzung des Schwungrades und als Sicherheitsbarriere beim Bersten des Schwungrades.

      Während die Luftreibung bei langsam laufenden Schwungrädern im Vergleich zur Lagerreibung eine untergeordnete Rolle spielt, erreicht die Luftreibung bei mittel- und schnelldrehenden Schwungrädern die gleiche Größenordnung wie die Lagerreibung, wenn das Schwungrad unter Umgebungsdruck läuft. So macht die Luftreibung bei dem unter Umgebungsdruck laufenden Schwungrad am Max-Planck-Institut in Garching rund 650 kW bei einem Gesamtverlust von 1,5 MW aus. Man kann die Reibung reduzieren, indem man das Schwungrad in einem Gehäuse mit Luft bei Unterdruck oder mit einem Gas geringerer Dichte bei Normaldruck rotieren läßt. Hier wird zum Beispiel Wasserstoff oder Helium benutzt. Allerdings wird der Vorteil der geringeren Dichte durch eine höhere kinematische Viskosität und somit eine höhere Reynoldszahl teilweise wieder zunichte gemacht. Die gängigste Lösung ist daher das luftgefüllte Gehäuse mit Unterdruck.

      Die üblichen Drücke, bei denen moderne Schwungräder operieren, liegen zwischen 0,1 und 100 Pa (1 Pa = 1 N/m2 = 10-5 bar). So läßt sich die Reibleistung erheblich reduzieren. Neben dem Druck beeinflußt auch der Abstand des Rades zur Gehäusewandung die Reibleistung. Die Reibleistung nimmt bei kleiner werdendem Abstand leicht ab. Wenn der Abstand kleiner als die Grenzschichtdicke der Luftströmung wird, steigt die Reibleistung stark an.

      Da die Luftreibung am äußeren Durchmesser größer ist als in der Mitte, erwärmt sich das Schwungrad ungleichmäßig. Bei Stahlschwungrädern ist die Wärmeleitfähigkeit ausreichend groß, so daß es zu keinem übermäßig großen Temperaturgradienten und damit auch nicht zu nennenswerten Wärmespannungen im Material kommt. Bei Faserverbundschwungrädern ist die Wärmeleitfähigkeit wesentlich schlechter und es kann aufgrund von lokalen Überhitzungen zu Wärmespannungen kommen. Die lokalen Überhitzungen selbst sind auch kritisch zu beurteilen, da die Festigkeit von Faserverbundwerkstoffen, und hier insbesondere von Kevlar, bei hohen Temperaturen abfällt.

      Eine Schwungradanlage kann nicht hundertprozentig sicher konstruiert werden. Daher müssen Vorkehrungen für den schlimmsten Fall, das Auseinanderbrechen des Schwungrades, getroffen werden. Das Ausmaß des Versagens ist vom Material und von der Form abhängig. Ein Stahlschwungrad bricht bei Totalversagen typischerweise in drei annähernd gleich große Teile auseinander [1]. Das Gehäuse muß dann die gesamte gespeicherte kinetische Energie in Verformungsenergie umsetzen. Für eine stationäre Anlage mit vertikaler Welle bietet sich eine Versenkung des Schwungrades in einer Betonwanne an. Bei Faserverbundschwungrädern kommt es zu einem harmloseren Versagensmuster, da zumeist eine Delaminierung stattfindet, wobei die Fasern das Schwungrad weiterhin zusammenhalten.

      Das Gehäuse ist von außen mit atmosphärischem Druck beaufschlagt. Auf dem Boden und dem Deckel eines zylindrischen Schwungradgehäuses mit 2 m Durchmesser, dessen Innendruck 1 mbar beträgt, lastet beispielsweise ein Druck, der einem Gewicht von 31,4 t entspricht. Daher muß das Gehäuse sehr steif konstruiert werden. Das Gehäuse darf sich unter Druck kaum verformen, da sonst die Abdichtung sehr schwierig werden würde.

      Läuft nur das Schwungrad im Unterdruck und die elektrische Maschine in Umgebungsatmosphäre, so muß die Welle druckdicht durch das Schwungradgehäuse geführt werden. Dies geschieht mit Hilfe von Wellendichtungen. Aufgrund der hohen Wellendrehzahl und des zur Übertragung des Antriebsmomentes und zur Steifigkeit erforderlichen Durchmessers in der Größenordnung von 50-100 mm würden bei herkömmlichen Feststoffdichtungen wie Radial-Wellendichtringen sehr hohe Reibleistungen und damit hohe Temperaturen auftreten, denen die Dichtungen nicht standhalten könnten.

      Gleitringdichtungen und Ferrofluiddichtungen sind dagegen besser für diesen Zweck geeignet. Bei der Gleitringdichtung wird ein in Öl rotierender Graphitring axial an eine feststehende Metalloberfläche gepreßt. Die dafür notwendige Kraft wird durch Federn oder Magneten erzeugt. Die Gleitringdichtung kann ein Vakuum von 10-3 Pa (entspricht 10-8 bar) aufrechterhalten und hat einen Reibungskoeffizienten von 0,05-0,1 [1]. Da sich auch diese Dichtung durch die Reibung aufheizt, kann eine Ölkühlung unter Umständen notwendig werden.

      Die Ferrofluiddichtung ist mit Flüssigkeit gefüllt. In dieser Flüssigkeit sind kleine Magnetit-Partikel gelöst. Die Flüssigkeit trennt die voneinander abzudichtenden Medien und wird durch einem Permanentmagneten am Austreten aus der labyrinthartigen Dichtung gehindert. Da sich bei dieser Dichtung keine festen Körper berühren, ist die Reibung noch geringer als die der Gleitringdichtung. Trotzdem kann es auch nötig sein, die Dichtung wasserzukühlen. Mit einer speziellen Ausführung dieser Dichtung kann ein Vakuum von bis zu 10-8 Pa gegenüber Atmosphärendruck aufrechterhalten werden. Der Nachteil an dieser Dichtung ist der hohe Preis.

      Die Vakuumpumpe dient zum Leerpumpen des Gehäuses und zur Aufrechterhaltung des Vakuums im Betrieb. Ist der Druck im Schwungradgehäuse auf den gewünschten Wert abgesenkt worden, kommt es bei Abschalten der Vakuumpumpe wieder zu einem Druckanstieg. Dieser entsteht durch das sogenannte Ausgasen, bei dem die in tiefere Schichten der Gehäuse- und Schwungradoberfläche eingedrungenen Luftmoleküle mit zeitlicher Verzögerung austreten. Zum Ausgasen trägt auch die in Gewindesacklöchern, Schweißnähten o.ä. eingeschlossene Luft bei.

      Das zu Schmierung und Kühlung verwendete Öl bzw. das für ein hydrostatisches oder hydrodynamisches Gleitlager benötigte Drucköl darf im externen Ölkreislauf nicht unter Umgebungsdruck mit Luft in Verbindung kommen, da sich sonst Luft in dem Öl löst, welche im Schwungradgehäuse wieder ausgast.

      Besonders, wenn die Anlage Dichtungen an rotierenden Oberflächen aufweist, kommt es zum Druckanstieg durch Leckage. Nach dem idealen Gasgesetz steigt der Druck im Gehäuse bei einer Erwärmung der Luft durch die aerodynamische Reibung an. Wenn dieser Druckanstieg nicht vernachlässigt werden kann, ist es notwendig, die Vakuumpumpe während des Speicherbetriebs intermittierend oder auch ständig laufen zu lassen. In diesem Fall kann es unter Umständen wirtschaftlich sein, eine Vakuumpumpe mit hoher Leistung zum Auspumpen des Gehäuses und eine Vakuumpumpe mit niedriger Leistung zur Aufrechterhaltung des Vakuums einzusetzen.

    11. Elektrischer Anlagenteil
    12. Der elektrische Anlagenteil besteht aus der elektrischen Maschine und dem Umrichter. Die elektrische Maschine dient im generatorischen Betrieb der Umwandlung der mechanischen Energie des Schwungrades in elektrische Energie und im motorischen Betrieb der Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie. Bei den Umwandlungsvorgängen entsteht aufgrund von Reibung und elektrischen Verlusten zusätzlich Wärme.

      1. Elektrische Maschine
      2. Man unterscheidet zwischen Gleichstrommaschinen und Drehstrommaschinen. Die Gleichstrommaschine ist die einfachere von beiden. Der Rotor mit den Ankerwicklungen dreht sich in einem zeit- und ortsfesten Magnetfeld. Das Magnetfeld wird durch einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten erzeugt.

        Aufgrund der Lenzschen Regel bewirkt ein durch die Ankerwicklungen fließender Strom ein Drehmoment auf den Rotor (motorischer Betrieb). Ein Drehmoment, das auf den Rotor wirkt, ruft eine Drehung hervor, die einen Strom in den Ankerwicklungen induziert (generatorischer Betrieb). Wegen der sich im Laufe einer Umdrehung ändernden Richtung des Magnetfeldes müssen die Ankerwicklungen mit Hilfe des Kommutators periodisch umgepolt werden.

        Die Drehstrommaschinen unterscheidet man in synchron- und asynchronerregte Maschinen. Die Synchronmaschine besitzt ein zeitlich konstantes, rotierendes Erregermagnetfeld. Die Drehzahl des Rotors ist mit der Drehzahl des Drehstroms in den Ankerwicklungen identisch. Die Erregerwicklung der Synchronmaschine muß mit Gleichstrom gespeist werden. Zur Übertragung des Gleichstroms auf den Rotor sind Schleifringe erforderlich. Will man Schleifringe vermeiden, so ordnet man eine Drehstromerregermaschine in Außenpolbauart auf der Rotorwelle an. Der so erzeugte Drehstrom wird durch sich mitdrehende Gleichrichter in den gewünschten Gleichstrom umgewandelt.

        Kleinere Maschinen können auch mit Permanentmagneten ausgeführt werden, da hier die Magnete geringeren Fliehkräften ausgesetzt sind. Eine Möglichkeit, größere Maschinen permanent zu erregen, besteht darin, von der Innenläufer- zur Außenläuferbauweise überzugehen. So werden die Permanentmagnete durch die Fliehkraft an die Rotorwandung gepreßt und können nicht fortgeschleudert werden.

        Bei der Asynchronmaschine ist das Magnetfeld weder zeit- noch ortsfest, sondern entsteht durch die Wechselwirkung der Ströme in Rotor und Stator. In den Wicklungen des Stators fließt der von außen zugeführte Drehstrom. Die Rotorwicklungen sind meist über Schleifringe von außen schaltbar. Im Normalbetrieb sind die Wicklungen sternförmig miteinander kurzgeschlossen. Zur Regelung der Maschine können die Wicklungen mit Widerständen in Reihe geschaltet oder von Stern auf Dreieck umgeschaltet werden. Beim Kurzschlußläufer sind die Rotorwicklungen durch Stäbe ersetzt worden. Die Stäbe sind auf den beiden Stirnseiten des Läufers durch Kurzschlußringe miteinander verbunden. Somit werden die Schleifringe überflüssig.

        Im Rotor wird ein Drehmoment erzeugt, wenn sich seine Drehzahl von der Drehzahl des elektromagnetischen Statordrehfeldes unterscheidet. Dieser Drehzahlunterschied wird Schlupf genannt. Eilt der Rotor dem Statordrehfeld voraus, so wird er gebremst, und die Bremsleistung wird an das Netz abgegeben, die Maschine arbeitet also im generatorischen Betrieb. Läuft der Rotor langsamer als die Netzdrehzahl, wird er beschleunigt, und die Maschine arbeitet im motorischen Betrieb.

        Alle drei Arten von elektrischen Maschinen arbeiten aufgrund von Kupferverlusten, Eisenverlusten und Reibungsverlusten mit Wirkungsgraden zwischen 80 und 97 %. Die Kupferverluste entstehen durch den ohmschen Widerstand der Wicklungen, die Eisenverluste durch Hysterese und Wirbelstrom und die Reibungsverluste durch aerodynamische Reibung und Lagerreibung. Letztendlich wandeln sich alle Verlustleistungen in einen Wärmestrom um, der an die Umgebung abgeführt werden muß. Die Wärme wird dabei durch freie oder erzwungene Konvektion oder durch Wärmeleitung transportiert. In der Regel werden größere Maschinen fremdbelüftet.

        An dieser Stelle sei auf die Problematik hingewiesen, die sich ergibt, wenn die elektrische Maschine zusammen mit dem Schwungrad im Vakuum läuft. Eine Übertragung von Energie auf den Rotor mit Hilfe von Bürsten ist nicht möglich, und die Wärmeabfuhr muß mit Hilfe von flüssigen Kühlmitteln oder mit Heatpipes (Kühlrohre ohne Fremdenergieversorgung) erfolgen.

      3. Umrichter

      Dem Umrichter kommt die Aufgabe zu, den von der elektrischen Maschine erzeugten Strom so umzuformen, daß er in das 50 Hz-Drehstromnetz eingespeist werden kann bzw. den vom 50 Hz-Drehstromnetz bereitgestellten Strom so umzuformen, daß damit die elektrische Maschine im Motorbetrieb arbeitet. Der Umrichter ist damit einem stufenlos verstellbaren Getriebe bei einer mechanischen Übertragung äquivalent. Zudem kann die Steuerung der Schwungradanlage über den Umrichter erfolgen.

      Bild 13: Anschluß einer drehzahlvariablen Maschine an das Drehstromnetz mit Hilfe eines in beide Richtungen arbeitenden Umrichters

      Ein Umrichter besteht aus einem Gleichrichter, einem Gleichstromzwischenkreis, einem Wechselrichter und einem Steuerkreis und muß so ausgeführt sein, daß er in beide Richtungen arbeiten kann. Besteht der Gleichrichter aus Dioden, so ist er ungesteuert, besteht er aus Thyristoren, so nennt man ihn steuerbar. In den Gleichstromzwischenkreis können Spulen, Kondensatoren und Transistoren zur Steuerung und Glättung von Strom und Spannung eingebaut sein. Wechselrichter älterer Bauart sind aus Thyristoren aufgebaut.

      In den letzten Jahren wurden die Thyristoren durch Bipolare, Unipolare und Insulated-Gate-Bipolare Transistoren ersetzt. Diese Transistoren werden nach speziellen Schaltmustern durch die Steuereinheit geschaltet. Zu den Schaltmustern gehören die Puls-Amplituden-Modulation und die Puls-Weiten-Modulation. Mit der Puls-Weiten-Modulation ist es möglich, nahezu sinusförmige Ausgangsspannungen mit einer in weiten Bereichen frei wählbaren Frequenz und Spannung zu erhalten. In Kombination mit modernen Umrichtern haben Drehstrommaschinen mittlerweile ähnlich gute dynamische Regelungseigenschaften wie Gleichstrommaschinen bei Wirkungsgraden von bis zu 92 %.

    13. Betriebsdatenerfassung und Regelung

In diesem Anlagenteil werden die zur Regelung der Schwungradanlage notwendigen Daten verarbeitet. Zu diesen Daten zählen zunächst die zur normalen Betriebsführung notwendigen Größen wie die Drehzahl der elektrischen Maschine und damit des Schwungrades, die Maschinenspannung und der Maschinenstrom, der Phasenwinkel, die Erregerspannung und der Leistungsbedarf des Netzes. Aus diesen Daten werden im Prozessor zusammen mit dem Pulsmuster der Wechselrichter die Steuersignale für die schaltenden Halbleiterelemente errechnet.

Weiterhin kommt der Betriebsdatenerfassung und Regelung die wichtige Aufgabe der Anlagenüberwachung zu. So muß die Anlage bei jeder erdenklichen Störung reagieren und notfalls auch abgeschaltet werden. Mögliche Störungen sind die Überhitzung der elektrischen Maschine, Ausfall der Kühlung der Maschine und der Lager, Ausfall der Lagerschmierung oder Druckölversorgung, ein Überschreiten der maximalen Drehzahl, Schädigung der Lager oder Schäden am Schwungrad.

 

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