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

31 Kontakt Technische Universität Wien Institut für Mechanik und Mechatronik Abteilung für Messtechnik und Aktorik

32 Kontakt Technische Universität Wien Institut für Mechanik und Mechatronik Abteilung für Messtechnik und Aktorik

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