Schwungradspeicher in der Fahrzeugtechnik

Besonders seit der Etablierung genormter Testzyklen, wie z. B. des New European Driving Cycle (NEDC), herrscht landläufig die Meinung, dass die Verantwortung einer Verbrauchsreduktion der Fahrzeuge in erster Linie bei den Fahrzeugentwicklern liegt, und daher eine rein technische Frage sei. Eine Optimierung der Verbrennungskraftmaschine (VKM), Leichtbau und ein „smartes“ Energiemanagement können zweifellos zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs beitragen, aber oftmals bergen äußere Einflüsse, wie die Wahl des Fahrzeuges an sich und dessen Einsatzprofil ein erheblich größeres Potenzial. Da in manchen Fällen eine exakte Quantifizierung und Ermittlung des wichtigsten Einflussparameters nicht möglich ist, gilt es fortan das Fahrzeug als ganzheitliches, systemabhängiges Optimierungsproblem zu betrachten. Dies bedeutet gleichermaßen, dass all jene Parteien, welche das Supersystem des Fahrzeuges gestalten, in einen interdisziplinären Prozess involviert sind und Verantwortung für dessen gemeinsame Entwicklung übernehmen müssen. Abb. 2.1 zeigt die Wechselwirkung zwischen Hybridfahrzeug, Subsystem (bestehend aus den wesentlichen technischen Komponenten des Fahrzeuges) und Supersystem, welches jene äußeren Einflüsse beschreibt, die auf Fahrzeugtopologie, Betriebsstrategie und letzten Endes Energieverbrauch Einfluss haben. Auf das eigentliche Subsystem des Speichers bzw. die verschiedenen Hierarchieebenen der Systembetrachtung wird in Kap. 4 eingegangen.

Das Supersystem des Flywheel Energy Storage Systems (FESS) umfasst all jene Aspekte und Komponenten, welche sich außerhalb des Energiespeichers befinden, jedoch in direkter oder indirekter Wechselwirkung mit dem Schwungrad stehen. Diese hierarchisch übergeordneten Komponenten oder Einflussgrößen können in sich wieder ein eigenes System bilden und werden in einer holistischen Betrachtung auch oftmals sinnvoller Weise zu einer eigenen Einheit zusammengefasst. So werden in manchen Fällen alle relevanten Komponenten des Fahrzeuges zum Supersystem „Fahrzeug und Fahrzeugtopologie“ zusammengefasst, um für die relevante Betrachtung entsprechende Systemgrenzen zu setzen.

Dieses Kapitel erörtert Möglichkeiten der effizienteren Nutzung von Schwungradspeichern durch Anpassung der Speicherumgebung – oder des Supersystems (entsprechend der in Kap. 4, Abb. 4.​2 vorgestellte Systemhierarchie) – an gegebene Speichereigenschaften.

Das Subsystem des FESS umfasst wie beschrieben alle Komponenten und Bauteile, welche für den Aufbau und Betrieb des Speichers notwendig sind. Durch Modifikation einzelner Komponenten, wie Lager, Rotor, oder E-Maschine können energetische Spezifikationen des FESS beeinflusst und ggf. verbessert werden. Ziel ist die Annährung der im Rahmen der aktuellen technischen Möglichkeiten erreichbaren Eigenschaften eines FESS an die Performance eines Referenzenergiespeichers – zumindest bis zum Erreichen der unter Abschn. 5.​4 beschriebenen Threshold-Spezifikationen.

Um die Motivation und Vorgehensweise des Designs jener Rotoren, welche unter Abschn. 7.4 und 7.5 noch genau beschrieben werden besser zu verstehen sind im folgenden Abschnitt die wesentlichen mechanischen Grundlagen zusammengefasst. Unter Abschn. 7.2 wird der Stand der Technik erhoben bzw. analysiert. Es ist anzumerken, dass das Kapitel Rotor an dieser Stelle nur vom Gesichtspunkt der Energiedichte und dem maschinendynamischen Verhalten betrachtet wird. Rotorspezifische Berst- und Versagensszenarien werden im Kapitel Gehäuse (vergleiche Kap. 8) betrachtet.

Im Bereich der Schwungradspeicher haben sich bis jetzt lediglich zwei Lagerkonzepte durchgesetzt:

Schwungradenergiespeicher sind mit ihren hohen spezifischen Leistungen bei moderaten Energieinhalten bzw. ihren hohen Zyklenzahlen ideal für Bremsenergierekuperation in dynamischen Fahrprofilen. Einige spezifische Probleme bei Einsatz dieser Speicher in Automobilen, wie die soeben erörterten gyroskopischen Lagerreaktionen und die in Kap. 8 diskutierte Crash-Sicherheit, würden bei Stationäranwendungen komplett entfallen. Gelingt es, die bislang hohe Selbstentladung von FESS zu minimieren und gleichzeitig die Kosten zu senken, so könnte dieses Konzept eine gute Alternative zu chemischen Batteriespeichern für die Speicherung erneuerbarer Energie darstellen. Der vielzitierte Umstieg vom konventionellen Pkw mit Verbrennungskraftmaschine auf ein voraussichtlich primär elektrobasiertes Transportsystem macht nur dann Sinn, wenn sich der Strommix zu einem Großteil aus CO₂-neutralen Energiequellen zusammensetzt. Im Jahr 2013 wurden in der EU durchschnittlich immer noch 558g CO₂ pro kWh Elektrizität produziert [1], was – wenn man die Lade- und Entladewirkungsgrade der Elektrofahrzeuge berücksichtigt – nicht wesentlich Umweltfreundlicher ist als die Energieerzeugung mittels Benzinmotor, welche in etwa 690 g CO₂ pro kWh verursacht [2].

Das Buch „Schwungradspeicher in der Fahrzeugtechnik“ verfolgt einen konsequent holistischen Ansatz bei der Betrachtung des Themas. In Zeiten der CO₂-bedingten Klimaerwärmung und ständig steigender Energiepreise ist es unerlässlich, selbst technische Detaillösungen des hybriden Antriebsstrangs – wie in diesem Fall den Energiespeicher - in einen globalen Kontext zu setzen.