Geschichte der Schwungmassenspeicher

Schwungmassenspeicher begleiten den technologischen Fortschritt seit der Antike mit
Geschichtlicher Hintergrund zu Schwungmassenspeichern - Die älteste Maschine der Welt

Bei Schwungradspeicher, auch Schwungmassenspeicher oder Schwungscheibenspeicher genannt, geht es um die Speicherung mechanischer Energie in Form von Rotation (Kinetische Energiespeicherung). Die Rotationsenergie baut auf dem Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses auf. Bereits in der Antike werden Räder mit hohem Massenträgheitsmoment verwendet. Die Speichertechnologie begleitete alle industriellen Revolutionen (inkl. Industrie 4.0) mit.

 

Die älteste Erfindung, die sich das Massentägheitsmoment zunutze macht, lässt sich auf 6.000 v. Chr. zurückdatieren. In China und später in Mesopotamien wurden Spindeln für die Herstellung von Fäden verwendet. Diese Spindeln bestanden aus einem Holzstock als Achse und einer kleinen Scheibe mit zentraler Bohrung aus Naturmaterialien wie z.B. Stein, Holz, Metall, Ton, Glas oder Knochen als rotierende Masse. Die Spindel war dabei unmittelbar an den zu rotierenden Fasern aufgehängt und wurde von Hand in Schwung gebracht.

 

Eine weitere frühe Anwendung von Schwungrädern ist die Töpferscheibe. Sie kam um 4.000 v.Chr. in Verwendung, vermutlich ebenfalls in Mesopotamien. Heute wird vermutet, dass Schwungräder noch früher erfunden wurde als das Rad bei mobilen Anwendungen. Damit ist das Schwungrad die älteste Maschine der Menschheitsgeschichte. In Mitteleuropa wurde diese Technik allerdings erst um 400 v.Chr verwendet.

 

Später wurden die neuere Spinnräder, die über ein Trittbrett und eine Welle angetriebenen wurden, mit einem großen Schwungrad ausgestattet. Überall bekannt waren auch die fahrenden Scherenschleifer, deren Schleifstein gleichzeitig ein schweres Schwungrad darstellte, das mit einem Pedalantrieb mühelos in Rotation gehalten wurde. Auch Optiker installierten bei ihren Schleifgeräten oft ein zusätzliches Schwungrad um die Rotationsbeständigkeit zu erhöhen. Ebenfalls bei den im Mittelalter immer vermehrt aufkommenden Wass- und Windmühlen machte man sich die Trägheit großer Schwungmassen zunutze, um die unstetige Antriebskraft und die dadurch bedingten wechselnden Lastsituationen (Lastmanagement) auszugleichen. Erst im 17. Jahrhundert formulierte Galileo Galilei das Gesetz der Trägheit der Masse, welches jahrhunderte lang angewandt wurde, aber nicht erklärt werden konnte.

 

Mit der ersten industriellen Revolution wird das Schwungrad bei Dampfmaschinen, Werkzeugantrieben und später auch bei Motoren vor allem dazu verwendet, unregelmäßige  Drehbewegungen (wie z.B. bei Kurbeltrieben), zu harmonisieren und einen gleichmäßigen Lauf zu garantieren (aktives Balancieren). Beispiele sind die alten einzylindrigen Dampf- und Diesel-Straßenwalzen oder Exzenterpressen. Ab dem 19. Jahrhundert waren (und sind auch heute noch) Schwungräder zur gleichmäßigen Übertragung der Kolbenkräfte auf den Antriebsstrang bei Verbrennungsmotoren von Bedeutung.

Der erste, rein zur Energiespeicherung verwendete Schwungmassenspeicher bestand aus Stahl und wurde 1883 von John A. Howell für militärische Anwendungen entwickelt. Es hatte eine Masse von 160 kg bei einem Durchmesser von 45 cm. Wurde es auf 21.000 U/min beschleunigt, konnte es einen Torpedo 1,5 km weit bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 55 km/h durch das Wasser befördern.

 

Ab den 1950er Jahren verbreiteten sich zunehmend moderne Entwicklungen. Das schweizerische Unternehmen Oerlikon konstruierte den ersten mobilen Speicher für den Nahverkehr mit Bussen (Gyrobus), welcher aus Stahl in einer Wasserstoffatmosphäre aufgebaut wurde.

 

Die Einsatzgebiete erstrecken sich bis hin zu den Erneuerbaren Energien. Das Rutherford Appleton Laboratory in Großbritannien untersuch den Einsatz von Schwungmassenspeichern für Windenergie. Im Inselbetrieb wurde eine Testanlage WKA mit 45 kW, einem Dieselstromgenerator und einem Speicher aufgebaut, welcher als Puffer bei Windflauten und Start-Stop-Vorgängen des Generators verwendet wurde.

 

Der entscheidende Fortschritt fand Ende der 90er Jahre statt. Neue Materialien mit besonders hoher Zugfestigkeit ermöglichen höhere Umdrehungen. Damit konnte Leistung, Energieinhalt und Effizienz in eine neue Dimension gehoben werden. Daneben entwickelte sich die Leistungselektronik/Umrichter und die Antriebstechnik stetig weiter, weshalb heute die Wirtschaftlichkeit höher ist als jemals zuvor.

Moderne Anwendungsbereiche eines leistungsoptimierten Energiespeichers

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