Innovative Schwungradspeicher mit hoher Energieeffizienz und Zuverlässigkeit

Zusammenfassung

Schwungradspeicher zur Speicherung elektrischer Energie (Flywheel Energy Storage Systems, FESS) stellen eine wirtschaftlich interessante Alternative zu Akkumulatoren und Superkondensatoren bei Anwendungen mit mehreren Lade-/Entladezyklen pro Tag dar. Bisherige FESS weisen für diesen Anwendungsbereich jedoch zu hohe Verluste auf. Ein Forschungsschwerpunkt am Institut für Mechanik und Mechatronik beschäftigt sich daher mit der Entwicklung von innovativen FESS mit hoher Energieeffizienz und Zuverlässigkeit. Im Rahmen von drei geförderten Forschungsprojekten werden hierbei die Grundlagen für einen Technologiesprung hinsichtlich wesentlich längerer Speicherdauer, Sicherheit und Kostenreduktion gelegt.

In der vorliegenden Publikation wird das umfangreiche Gesamtkonzept für höchste Zuverlässigkeit vorgestellt, das selbst bei Auftreten eines beliebigen Fehlers im mechatronischen System die Lagerung des Rotors gewährleistet. Weiters wird im Detail auf das entwickelte Gesamtoptimierungskonzept eingegangen, das die bestmögliche automatisierte Wahl der in Summe über 100 Geometrie- und Reglerparameter je Konzept und gewünschter Applikation mit einem dreistufigen Ansatz durchführt. Abschließend werden der entwickelte FESS-Messaufbau und das Ergebnis eines ersten Auslaufversuchs zur Verifikation der errechneten Verluste besprochen.

Abstract

Flywheel energy storage systems (FESS) used for electrical energy storage are, from the economic point of view, an interesting alternative to batteries and supercaps where a high number of charge-/discharge cycles per day occurs. It is a fact that currently available state of the art FESS show for this type of application too high losses. The key research focus at the Institute of Mechanics and Mechatronics deals with the development of innovative FESS with high energy efficiency and reliability. During three funded research projects the fundamental basics for a technological step regarding storage time, safety and cost reduction have been achieved. In this paper, an extensive overall concept for highest reliability is presented to ensure the function of the bearing for any possible error that can occur in the mechatronic system. Furthermore, a detailed description of the developed optimization concept is provided, that uses a three step procedure containing an automatic election of over 100 geometry- and control parameter depending on the chosen application. The paper closes with a discussion of the developed FESS test rig and the result of a first spin down experiment to validate the calculated losses.