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Über dieses Buch

Schwungradenergiespeicher (Flywheel Energy Storage Systems, FESS) können als Alternative zu chemischen Batterien oder Kondensatoren in Fahrzeugen eingesetzt werden und besitzen enormes Entwicklungspotential. In diesem Buch werden FESS in einen globalen Kontext gesetzt und äußere Einflüsse wie Fahrzeug, Fahrer und Betriebsstrategie, bis hin zu sozio-psychologischen Aspekten, in Hinblick auf ihre Wechselwirkung mit dem Speicher analysiert. Daraus werden optimale Einsatzszenarien abgeleitet und die für einen Markterfolg relevanten Entwicklungsziele definiert. In einer Betrachtung des Subsystems werden jene kritischen Komponenten im FESS identifiziert, welche für das Erreichen der technischen Zieleigenschaften verantwortlich sind. Konkrete Lösungen für das Design der Schlüsselkomponenten werden generiert und deren Eignung durch empirische Untersuchungen an Gehäuse, Lagerung und Rotor sowie durch Gesamtprototypen validiert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung
Im Jahr 1973 bekamen die westlichen Industriestaaten die uneingeschränkte Abhängigkeit von nahöstlichen Ölimporten erstmals schmerzhalt zu spüren. Die amerikanische Beteiligung am vierten arabisch-israelischen Krieg führte zu einem Ölboykott, welcher die gesamte Welt überraschte und in weiterer Folge eine Vielzahl von Initiativen zur Untersuchung und Förderung alternativer und erneuerbarer Energiequellen auslöste. Im November 1974 wurde die Internationale Energieagentur (IEA) unter U.S. Präsident Jimmy Carter gegründet, welche ein Startbudget von 25 Mrd. U.S. Dollar erhielt [1]. Doch nur kurze Zeit darauf, im Jahr 1979, als Ayatollah Khomeini zur iranischen Revolution aufrief und damit das zweite Ölembargo auslöste, schien die westliche Welt ähnlich überrascht und schlecht vorbereitet wie nur fünf Jahre zuvor.
Armin Buchroithner

2. Komplexität, Bedeutung und Gesamtsystemabhängigkeit der Fahrzeugbetriebsstrategie

Zusammenfassung
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.
Armin Buchroithner

3. Supersystem eines mobilen Schwungradspeichers

Zusammenfassung
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.
Armin Buchroithner

4. Interaktion zwischen Sub- und Supersystem eines mobilen Schwungradspeichers

Zusammenfassung
Selbst bei einer modernen Li-Io-Batterie mit Feststoffelektrolyt und grundsätzlich lagenunabhängigem Verhalten hängen Attribute wie Wirkungsgrad, Selbstentladung, maximale Leistung und nicht zuletzt Lebensdauer von Umgebungsbedingungen wie Temperatur oder Druck ab [1]. Untersuchungen der Technischen Universität Eindhoven haben ergeben, dass die nominelle Reichweite eines reinen Elektrofahrzeuges im Winter, wenn darüber hinaus noch eine erhöhte Nebenaggregatleistung zum Beispiel zum Heizen von Nöten ist, drastisch reduziert wird, wie Abb. 4.1 anschaulich zeigt.
Armin Buchroithner

5. Optimierung des Speichereinsatzes im Supersystem

Zusammenfassung
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.
Armin Buchroithner

6. Optimierung im Subsystem

Zusammenfassung
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.
Armin Buchroithner

7. Rotoren für mobile Schwungradspeicher

Zusammenfassung
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.
Armin Buchroithner

8. Gehäuse

Zusammenfassung
Nichts schadet dem wirtschaftlichen Erfolg einer Technologie mehr, als der Ruf, gefährlich zu sein. Auch wenn kaum Unfälle mit Schwungrädern bekannt sind, bei denen es tatsächlich zu einem Personenschaden kam, so genügen Zwischenfälle wie z. B. der vielzitierte Rotorbruch in der Grid-Stability-Anlage von Beacon Power, um das Misstrauen gegenüber der FESS-Technologie zu schüren [1], aber bisher wurden nur wenige Unfälle publik, bei denen das Berstgehäuse durschlagen wurde und Rotorbruchstücke ausgetreten sind. Zwei prominente Beispiele sind jedoch:
Armin Buchroithner

9. Lagerung

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

10. Stationäre FESS für die moderne Mobilität

Zusammenfassung
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].
Armin Buchroithner

11. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung
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.
Armin Buchroithner
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