Hightech-Schwungräder als Speicher für Öko-Strom

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1 Hightech-Schwungräder als Speicher für Öko-Strom Institut für Mechanik und Mechatronik Univ.-Prof.Dr. Johann Wassermann Forschergruppe: S. Hartl, T. Hinterdorfer, A. Schulz, H. Sima

2 Vortrags-Überblick Energieprognosen Prognostizierter Energiebedarf weltweit, Deutschland, Österreich Bedarf an Zwischenspeicher für elektrische Energie Solar- und Wind-Energie Lösungsansätze Ziele Forschungsansätze zur Optimierung Lagerung Zuverlässigkeit Rotor- und Motor/Generator-Ausführung Aktueller Stand

3 Energieprognosen

4 Energieprognosen

5 Energieprognose - Österreich Studie_Energie_Devolution_2050

6 Bedarf für Zwischenspeicher Solarenergie

7 Bedarf für Zwischenspeicher Windenergie

8 Lösungsansätze Speichertechnologien, z.b.: Akkumulatoren Kapazitäten (Super-Caps) Schwungradspeicher Druckluftspeicher Hydropneumatische Speicher Thermische Speicher Hydraulische Lageenergiespeicher Speicherkapazität und -dichte Wirkungsgrad Technischer und finanzieller Aufwand

9 Lösungsansatz - Schwungradspeicher

10 Lösungsansatz - Schwungradspeicher Schwungrad E 1 2 I z 2

11 Ziele Schwungrad E 1 2 I z 2 Lange Speicherdauer Hoher Wirkungsgrad Hohe Speicherkapazität und -dichte Beliebig viele Lade- Entladezyklen Rascher und hoher Energietransfer

12 Ziele

13 Forschungsansatz Entwicklung eines Hightech-Schwungradspeichers Lager Rotor Motor/Generator Gehäuse Lager

14 Forschungsansatz Entwicklung eines Hightech-Schwungradspeichers Lager Reibungsarme und zuverlässige Lagerung Spezielle Magnetlager Geringer Energieeigenbedarf Rotor Spezielle Ansteuerelektronik und Regelung für Magnetlager und elektrische Maschine (Flywheel-optimierte Reluktanzmaschine) Hohe Speicherdichte Spezielle Rotorbauform Motor/Generator Gehäuse Lager

15 Umsetzung Entwicklung eines Simulationsprogrammes für das gesamte mechatronische System Effiziente Optimierung der vielen Material- und Konstruktionsparameter Effizienter Vergleich unterschiedlicher Teilkonzepte Kaskadiertes Hybridmagnetlagersystem mit hoher Betriebssicherheit zur radialen und axialen Stabilisierung Hocheffizienz-Magnetlager für minimalen Energieverbrauch im Regelbetrieb Hochleistungs-Magnetlager bei externen Störungen (z.b. Erdbeben oder Stößen) Schwungrad/Rotor-Ausführungen Störkraftarmer Motor- Generator-Betrieb

16 Magnetlager Magnetlager-Prinzip Vorteile: Berührungsfreie Lagerung Hohe Drehzahlen möglich Nachteil: Verlust der Lagerfunktion beim Ausfall eines Bauteils

17 Magnetlager Konzept für die Ansteuerung

18 Magnetlager Vacuum- Containment Rotor E 1 2 I z 2 Magnet- Lager Motor/Generator

19 Flywheel-optimierte Reluktanzmaschine Vollparametrisches Modell Optimierung der Geometrie Berechnung der Kennlinien Dynamische Simulationen

20 Motor/Generator - Reluktanzmaschine

21 Motor/Generator - Reluktanzmaschine Zero-Force-Control (ZFC) Simulation bei 6500 U/min; P = 2 kw; e=0.3mm einer Phase bei konventioneller Bestromung und mit Zero-Force-Control (dezentrale Regelung) ohne ZFC mit ZFC

22 Motor/Generator - Reluktanzmaschine Spulen jeder Phase werden separat geregelt. Durch verschiedene Sollströme wird bei exzentrischer Rotorposition die magnetische Radialkraft zu Null

23 Aktueller Stand Flywheel-Assemblierung (5 kwh, 10 kw) Inbetriebsetzung Validierung der Modelle Bestimmung der erreichbaren Speicherzeit und des Wirkungsgrades

24 Rotor Ziele: Minimale Masse Genügend Sicherheitreserve S gegen Versagen (Kriterien: von Mises, Puck, Tsai-Wu) Hohe Steifigkeit für unterkritischen Betrieb Nichtlineares Optimierungsproblem mit nichtlinearen Restriktionen

25 Rotor Aluminiumwelle Stahlhülse Ferromagnetische Komponenten aus Vacodur 50 Sicherheit 2 Masse 260 kg Energiedichte Wh/kg Schwungmasse 170 kg, CFK Rotorlänge m Außenradius 0.32 m Drehzahl U/min

26 Rotor Ausgangszustand: Energiedichte Wh/kg hohe Radialspannungen schlechte Massenverteilung

27 Rotor H-Type Rotor: Energiedichte Wh/kg hohe Radialspannungen hohe Biegespannungen gute Massenverteilung

28 Rotor HX-Type Rotor: Energiedichte Wh/kg geringere Radialspannungen hohe Biegespannungen gute Massenverteilung

29 Rotor X-Type Rotor Wh/kg Steigerung der Energiedichte um 65%!!

30 Forschungsprojekte Thema Flywheel Haus der Zukunft plus (bmvit, FFG) LTS-Flywheel als 12h-Energiespeicher: Neue Ansätze zur Erhöhung der wirtschaftlich nutzbaren Speicherzeit und Sicherheit (abgeschlossen) Neue Energien 2020 (klima + energie fonds, FFG): SEE-Flywheel: Ausfallsichere Magnetlager für Flywheels hoher Speicherleistung und Energietransferrate (Projektende 12/2013) Neue Energien 2020 (klima + energie fonds, FFG): Optimum Shape Flywheel: Kostenreduktion durch neue Konstruktionsansätze, Rotorbauformen und Fertigungsverfahren (Projektende 05/2015) Bisher fünf angemeldete bzw. erteilte Patente der TU-Wien zum Thema

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