HOCHEFFIZIENTE SCHWUNGRADSPEICHER

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1 HOCHEFFIZIENTE SCHWUNGRADSPEICHER Optimum Shape Flywheel Kostenreduktion durch neue Konstruktionsansätze, Rotorbauformen und Fertigungsverfahren Technische Universität Wien Institut für Mechanik und Mechatronik

2 Dezentrale Speicher für elektrische Energie Steigender Anteil an erneuerbaren Energien Zeitlich inflexibel, unkontrolliert schwankend [1] Leitstudie 2010 Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global,

3 Dezentrale Speicher für elektrische Energie Steigender Anteil an erneuerbaren Energien Smart Grid [1] Leitstudie 2010 Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global,

4 Dezentrale Speicher für elektrische Energie Steigender Anteil an erneuerbaren Energien Smart Grid Anpassung der Grundlast: Bedarfsgeführte Verbraucher Derzeit eher eine Überschätzung des Bedarfs an Mittel /Langzeitspeichern [2] [2]: Regenerative Energieträger zur Sicherung der Grundlast in der Stromversorgung, beim bundestag.de/de/pdf/publikationen/berichte/tab Arbeitsbericht ab147.pdf

5 Dezentrale Speicher für elektrische Energie Speicherbedarf in den nächsten Jahren: Regelenergie Quelle: control.at/de/industrie/strom/strommarkt/ausgleichsenergie Verteilnetz Stabilisierung Einspeiser (PV) Verbraucher Quelle:

6 Dezentrale Speicher für elektrische Energie Regelenergie Öffnung/Liberalisierung des Strommarkts Bilanzgruppen Erzeuger (Windkraft/PV/Biomasse/etc.) Verbraucher (Industrie/etc.) Dezentrale Kurzzeitspeicher zum Ausgleich von Differenzen Speicher Anforderungen Dezentrale, unbürokratische Aufstellung/Errichtung Hohe Zyklenfestigkeit ( ~10/Tag ), lange Lebensdauer Umweltfreundliche Materialien

7 Dezentrale Speicher für elektrische Energie Verteilnetz Stabilisierung Probleme durch PV Anlagen [3] Verletzung des Spannungsbandes Verletzung der schnellen Spannungsänderung Reduzierung der Trafo Lebensdauer aufgrund von Überlast Speicher Anforderungen Dezentrale, unbürokratische Aufstellung/Errichtung Hohe Zyklenfestigkeit ( ~10/Tag ), lange Lebensdauer Umweltfreundliche Materialien [3]: 50% Solarstrom von den Dächern der Stadt Ulm,

8 Dezentrale Speicher für elektrische Energie Akkutyp Leistungsdichte kw/m 3 Wirkungs grad DC to DC Betriebstemperatur bereich Blei Akku % 20 C +50 C LiFePo Akku % 45 C +85 C Vanadium Redox Flow Akku Natrium Schwefel Akku Flywheel Beacon Pow. smartstorage flywheel (Ziel) << % 45 C +85 C ~ 40 80% % 40 90% +290 C +360 C 35 C +40 C 35 C +50 C Lebensdauer bei 10 Zyklen/Tag 1 Jahr Selbstentladung pro Tag in % 0,15% 0,30% Brutto Kosten EUR/kW Brutto Kosten EUR/kWh 200 0,20 <2 Jahre 0,1% ,15 3 5,5 Jahre Brutto Kosten je 100% Zyklus EUR/kWh << 0,1% ,2 0,5 ~1 Jahr Heizung! ,1 0,15 20 Jahre 240% ,14 20 Jahre < 10% ,05 Quellen: beim bundestag.de/de/pdf/publikationen/berichte/tab Arbeitsbericht ab147.pdf battery.com/index.php/products/power battery/item/wb lyp1000aha?category_id=176 abc.de/akku vergleich.php, power.info/d/batterielexikon/akkus blei saeure.html

9 Flywheel Überblick Containment Schwungmasse Elektrische Maschine Motor/Generator Magnetische Lagerung

10 Flywheel Überblick Laden Containment Schwungmasse Elektrische Maschine Motor/Generator Magnetische Lagerung

11 Flywheel Überblick Containment Schwungmasse Elektrische Maschine Motor/Generator Speichern Magnetische Lagerung

12 Flywheel Überblick Entladen Containment Schwungmasse Elektrische Maschine Motor/Generator Magnetische Lagerung

13 Vollständig neue Schwungradgeometrie mit umfangreichen Forschungsansätzen im Bereich der Festigkeitsberechnung und der Fertigungsverfahren Wesentlich bessere Materialausnutzung Kostengünstigere Herstellbarkeit Optimale Integration von elek. Maschine/Lagerung Steigerung der Energieeffizienz Schritt Flywheels wirtschaftlich nutzbar machen

14 AP1 Modellbildung zur Finite Elemente basierten Festigkeitsrechnung von Komposit Werkstoffen mit komplexem Lagenaufbau Berechnungsmodell für komplexe ortsabhängige Laminataufbauten zur Optimierung der Rotorgeometrie Erfassung von auf die spezielle Anwendung sowie Fertigungsverfahren bezogene Steifigkeits und Festigkeitsdaten für Komposit Materialien Für die spezielle Anwendung und die auftretenden Belastungsfälle optimales Versagenskriterium

15 AP2 Teil 1: Neuartige Schwungmassenformgebung mit Wellen Integralbauweise Optimale Ausnutzung der Festigkeitseigenschaften des CFKs über den kompletten Schwungradbereich Fully Stressed Design Modellbildung zur Untersuchung unterschiedlicher Flywheel Konstruktionen Bestmöglich in das Rotordesign integrierte elektrische Maschine und Lagereinheit, optimiert hinsichtlich höchster Energieeffizienz und Zuverlässigkeit

16 AP2 Teil 2: Forschung zur mechanischen Ausführung und zu Fertigungsverfahren Integration einer langzeitstabilen und einfachen Wuchtmöglichkeit am Karbonteil Know How im Bereich der Fertigungsverfahren für Komposit Flywheelrotoren

17 AP3 Validierung der OptimumShapeFlywheel Forschungsergebnisse an Messaufbauten Statischer Berstversuch Validierung der Festigkeits und Versagens Modelle für Komposit Materialien, Flywheel Gesamtmessaufbau Validierung der OptimumShapeFlywheel Berechnungen

18 Zeitplan 3. Sept. 2013

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20 Auslegung/Simulation/Optimierung Vorgabe: Energieinhalt, Leistung konstr. Lösungen, Werkstoffe Iterative Lösung (Startwert: Ω Rotor, m Rotor ) Opt. Motor/Generator FE Kennlinien f(γ, I) Opt. der Bestromungswinkel Eisenverluste (Steinmetz Glg.) Kupferverluste Konverterverluste

21 Auslegung/Simulation/Optimierung Vorgabe: Energieinhalt, Leistung konstr. Lösungen, Werkstoffe Iterative Lösung (Startwert: Ω Rotor, m Rotor ) Opt. Motor/Generator Opt. Radiallager FE Kennlinien F(s, I) Regelung Ansteuerung

22 Auslegung/Simulation/Optimierung Vorgabe: Energieinhalt, Leistung konstr. Lösungen, Werkstoffe Iterative Lösung (Startwert: Ω Rotor, m Rotor ) Opt. Motor/Generator Opt. Radiallager Geometrie Berechnung Optimale Schwungmasse

23 Schwungmassen Optimierung Energieinhalt max. (m=const.) Werkstoffwahl Spezifische Festigkeit (bezogen auf Aluminium) Schwungmasse Kosten aus CFK trotz höheren Kosten/kg geringer Wesentlich geringere Folgekosten und Verluste (Lagerung) E max K u kin Quelle: Tsai S.W.: Theory of Composites Design

24 Schwungmassen Optimierung Energieinhalt max. (m=const.) Werkstoffwahl 1. Topologieoptimierung

25 Schwungmassen Optimierung Energieinhalt max. (m=const.) Werkstoffwahl 1. Topologieoptimierung 2. Parameterbasierte Optimierung Eigenfrequenzen Trägheitsmomente Assemblierbarkeit

26 Schwungmassen Optimierung Energieinhalt max. (m=const.) Werkstoffwahl 1. Topologieoptimierung 2. Parameterbasierte Optimierung Eigenfrequenzen Trägheitsmomente Assemblierbarkeit

27 Ergebnisse Optimale Schwungmasse

28 Ergebnisse Statischer Berstversuch Sichere und kostengünstige Verifikation Materialparameter FE Modelle Fertigungsverfahren Herausforderung Möglichst ähnlicher Spannungszustand und Versagenspunkt wie bei Rotation

29 Start Up (in Gründung) Innovation, Research & Development Dipl. Ing. Dr.techn. Alexander Schulz Simulation, Construction & Manufacturing DipI. Ing. Harald Sima

30 KONTAKT Alexander Schulz alexander.schulz@tuwien.ac.at Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms NEUE ENERGIEN 2020 durchgeführt