Kinetische Energiespeicher und schnelldrehende Maschinen

CMO-Flywheel
© TU Graz/IME

Seit mehr als 5 Jahren beschäftigt sich das Institut für Maschinenelemente und Entwicklungsmethodik mit dem Thema Flywheel Energy Storage Systems (FESS). Dabei handelt es sich um ein System zur Energiespeicherung – ähnlich wie Batterien und Akkus. Der Unterschied besteht darin, dass die Energie in Form von kinetischer Energie eines sich schnell drehenden Rotors gespeichert ist. Im Regelfall wird der Rotor durch einen Elektromotor beschleunigt (Energiespeicher wird geladen) bzw. verzögert (Energie wird aus dem Speicher entnommen). Es nimmt der Energieinhalt des Rotors mit dem Quadrat der Drehzahl zu, weshalb es im Zuge fortschreitender Optimierung die Systeme immer kompakter und schnelldrehender werden. Nachfolgende Abbildung zeigt den schematischen Aufbau unterschiedlicher FESS-Konzepte.

Gegenüberstellung unterschiedlicher FESS-Konzepte
© TU Graz/IME

In den vergangenen 5 Jahren Forschungstätigkeit wurden eine Reihe von Publikationen zum Thema FESS veröffentlicht. Des weiteren sind zwei funktionierende Prototypen von kinetischen Energiespeichern für mobile Anwendungen in Kooperation mit Industriepartnern entwickelt, gebaut und in Betrieb genommen worden:

CMO – Clean motion offensive

TSA – High Fly

FESS sind nicht nur für mobile Anwendungen geeignet, auch stationär werden sie eingesetzt. Dabei unterscheiden sich die Rahmenbedingungen bezüglich Gewicht, Selbstentladung, Energieinhalt und Energiedichte grundlegend von jenen mobiler Anwendungen. Die Realisierung eines stationären Energie-Zwischenspeichers für Solarstrom bei Einfamilienhäusern wird aktuell im Rahmen eines Forschungsprojektes behandelt. Von fundamentaler Bedeutung ist die Selbstentladung um die Energie über Nacht zu erhalten. Versuchstechnisch abgebildet wird dies durch den Selbstentladungsprüfstand.

Einen weiteren Forschungsschwerpunkt bildet die Lagerung schnelldrehender Systeme, welche sich als kritische Komponente herauskristallisiert hat. Laufende Forschung beschäftigt sich mit unterschiedlichen Aspekten der Wälzlagerung entsprechender Systeme. Dies beinhaltet unter anderem:

  • Lagerlebensdauererhöhung durch passive und aktive Methoden
  • Verlustmomentminimierung zur Reduktion von Selbstentladung
  • Quantifizierung der Wärmeleitfähigkeit von Wälzlagern
  • Optimierung der Schmierungssituation
Antriebsstrank eines PKW mit Flywheel
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