Solar Flywheel - Feasibility study on decentralized low-cost flywheel storage

Der Ausbau volatiler erneuerbarer Energien hängt in großem Maße von der Flexibilität des gesamten Stromversorgungssystems ab und bedingt somit Möglichkeiten zur smarten Steuerung der Last, sowie der dezentralen Speicherung von elektrischer Energie. Vor allem wirtschaftlich einsetzbare Kurz- und Mittelzeitspeicher im Bereich von 5 kWh bis 50 kWh, die diese Funktionalität erfüllen können, sind zurzeit technologisch unzureichend entwickelt. Das dem Forschungsantrag zugrundeliegende Vorhaben zielt darauf ab, die Machbarkeit von Low-Cost Schwungradspeichern (LCSS) zu überprüfen, um als Speicher für die dezentrale Erzeugung und Nutzung von erneuerbaren Energien eingesetzt zu werden. Ein LCSS ist vom physikalischen Speicherprinzip den bisher entwickelten Schwungradspeichern ähnlich (elektrische Energie wird in kinetischer Energie gespeichert), jedoch steht bei einem LCSS die konsequente Kostenreduktion im Fokus, ohne die eine breite Nutzung dieser Technologie nicht möglich ist. Es ist geplant, die bekannten Vorteile bestehender Schwungradspeichertechnologien - wie eine praktisch nicht vorhandene Alterung (Zyklenfestigkeit), einfacher Bestimmung des Ladezustands und der Möglichkeit, auf beschränkt verfügbare oder ökologisch kritische Werkstoffe zu verzichten - in einem innovativen Low-Cost Konzept zu vereinen, welches diese Technik zu einer potentiellen Schlüsseltechnologie im angestrebten Stromspeicherbereich macht.

Kurzbeschreibung

Ein stetiger und deutlicher Trend zur Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energie am Strommix in Europa aufgrund der zu erreichenden Klimaziele ist klar zu erkennen. Besonders die Bereiche Windkraft und Photovoltaik verzeichnen nennenswerte Zuwächse. Die Einführung und Weiterentwicklung von innovativen und nachhaltigen Speichertechnologien um eine flexible und intelligente Energieversorgung (Stichwort: Smart Grids, Load Shift, Peak Shaving, Eigenverbrauchserhöhung) zu fördern wird von der Fachwelt als Notwendigkeit zum weiteren Ausbau dezentraler, volatiler erneuerbarer Energien gesehen. Denn mit dem Einsatz von Speichertechnologien kann unter anderem der Netzbezug und die Netzeinspeisung verringert werden. Ein weiterer wichtiger Faktor stellen die, im Vergleich zu den steigenden Strombezugspreisen, sinkenden Einspeisetarife dar. 45 Aktuell stehen nur Blei- und Li-Ionen Akkumulatoren als wirtschaftlich akzeptable und marktreife Technologie im Bereich der Kleinspeicher zur Verfügung. Bei der derzeitigen Preissituation in diesem Segment ist die Wirtschaftlichkeit für die längere Speicherung elektrischer Energie nicht gegeben.

Eine vielversprechende Speichertechnologie zur Anwendung als dezentraler Kurz- und Mittelzeitspeicher im Bereich von 5 kWh bis 50 kWh stellt ein Low-Cost Schwungradspeicher (LCSS) dar. Dieser technologische Ansatz vereint ein robustes und altbewehrtes physikalisches Prinzip mit Low-Cost Materialien und Maschinenelementen entsprechend dem Stand der Technik sowie innovativen Design Ansätzen ausgehend von fachlich ausgezeichnetem Kow-How der wissenschaftlichen Projektpartner. Einige Systemkomponenten wie elektrischer Motorgenerator, Vakuumtechnik oder Keramikwälzlager sind bereits als Serienprodukte am Markt erhältlich, dadurch kostengünstig und vielfach erprobt.

Abbildung 1: Konzept des SolarFlywheel für erneuerbare Energie.

Das Vorhaben soll die notwendige Datengrundlage und Erkenntnis für die Realisierung einer Laboreinheit und deren Komponenten in einem nachfolgendem F&E- Projekt der industriellen Forschung generieren und den dafür erforderlichen weiteren Entwicklungsaufwand klar darstellen. Basierend auf der Projektidee erfolgt der Entwurf eines Basissystems welches im Anschluss einer gründlichen Analyse unterzogen wird. In weiterer Folge soll eine analytische Vorauslegung durchgeführt und ein Simulationsmodell einer vollständigen LCSS-Anlage und deren Einzelkomponenten abgeleitet werden. Als passendes Simulationstool wird dabei unter anderem Mathworks Matlab/Simulink angesehen. Des Weiteren kommen in der analytischen Vorauslegung von maschinenbaulichen Kernkomponenten wie Rotor, Lagerung oder Schutzgehäuse Finite- Elemente-Methoden (FEM) und analytische Berechnungsmethoden über das Entwicklungs- Know-How der Forschungspartner zum Einsatz. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden die Eigenschaften und Charakteristiken der Technologie aufgezeigt, um schließlich ein Basissystem entwickeln und Musteranwendungen identifizieren zu können. Des Weiteren ist geplant mit Hilfe der Simulation und Vorauslegung über Parametervariationen, Komponentenveränderungen auf ihre Wirksamkeit hin zu testen und Systemschwachstellen zu identifizieren. Aufgrund dieser Vorgehensweise kann das Vorhaben kostengünstig und effizient durchgeführt werden.

Abbildung 2: Test des SolarFlywheel Prototyps
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Publikationen

  1. A. Buchroithner, A. Haan, R. Preßmair, B. Schweighofer, M. Bader, H. Wegleiter und H. Edtmayer,  „Decentralized Low-Cost Flywheel Energy Storage for Photovoltaic Systems“, 4th IEEE International Conference on Sustainable Energy Engineering and Application (ICSEEA), (in press), Bandung Indonesia, October 2016.
  2. A. Buchroithner, C. Voglhuber, “Investigation of a low-loss, low-cost roller bearing configuration for flywheel energy storage - A key technology for the integration of renewable energy”, 12. VDI-Fachtagung Gleit- und Wälzlagerungen, Karlsruhe, Germany June 2017
  3. Hermann Edtmayer, Armin Buchroithner und Manfred Trager, „Machbarkeitsstudie über Low-Cost Schwungradspeicher zur Lastverschiebung von elektrischer Energie“, IEWT 2017 - 10. Internationale Energiewirtschaftstagung, Vienna, Austria
Ansprechpartner
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Armin Buchroithner
Dipl.-Ing. Dr.techn.
Tel.
+43 (316) 873 - 30514
Sprechstunden
Nach Vereibarung
Steckbrief
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Projekttyp: Förderprojekt

Programm: FFG Energieforschung, 1. Ausschreibung

Laufzeit: 1 Jahr

Status: Abgeschlossen

Arbeitsgruppe: Energy Aware Systems

Partner
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  • 4ward Energy Research GmbH
  • Institut für Maschinenelemente und Entwicklungsmethodik (TU Graz)