Schwungradspeicher

Moderne Schwungradspeicher beruhen auf bewährten Prinzipien und bestehen aus einem komplexen Zusammenspiel innovativer Komponenten
Grundlagen Schwungradspeicher

Unser Gerotor HPS basiert auf der Technologie von Schwungradspeicheren. Schwungradspeicher haben sich für Tausende von Jahren bewiesen und weiterentwickelt. Moderne Komponenten bieten eine Vielzahl neuer Vorteile für unterschiedliche Einsatzgebiete. Innovative Schwungradspeicher sind zuverlässige, saubere und effizente Energiespeichersysteme.

Unser Gerotor HPS ist ein auf mechanischen Prinzipien beruhender Hochleistungsspeicher, der Energie kinetisch in Form einer rotierenden Masse speichert und die Trägheit der Rotationsmasse verwendet, um Energie zu speichern oder zu erzeugen. Kinetische Energie ist die Energie der Bewegung. Die physikalischen Prinzipien werden durch folgende Formel beschrieben:

Kinetische Energie = ½ (Masse) x (Geschwindigkeit)²

Die Menge der vorhandenen Energie und ihre Dauer ist proportional zu ihrer Masse und der Geschwindigkeit quadriert. Low-Speed-Schwungräder nutzen die Masse – dabei bedeutet mehr Masse mehr Energie, und doppelte Masse entspricht doppelter Energie. Hochgeschwindigkeits-Schwungräder nutzen die Geschwindigkeit – je höher die Geschwindigkeit, desto höher die Leistung und die doppelte RPM entspricht der Quadrupel-Energie. So lassen sich je nach Anwendungsbedarf die Eigenschaften konfigurieren. Unser Gerotor HPS ist auf maximale Leistung für hochdynamische Prozesse ausgelegt.

Architektur eines Schwungradspeichers

Das Schwungrad ist das Herzstück des Systems, das kinetische Energie in Form einer rotierenden Masse speichert. Ein System kann mechanische oder magnetische Lager enthalten, die in einer vakuumdichten Kammer untergebracht sein können. Die Evakuierung verringert die Reibung und erhöht den Wirkungsgrad.

Die Lager unterstützen den Rotor und halten ihn in Position, um sich mit hohen Geschwindigkeiten zu drehen. Die Art der verwendeten Lager kann die Geschwindigkeit der Schwungrad-, Leistungs- und Wartungsprobleme bestimmen. Mechanische Lager unterliegen dabei einer stetigen Belastung und erfordern in gewissen Abständen eine Wartung. Oftmals werden teure Magnetlager in Hochgeschwindigkeits-Schwungradsystemen eingesetzt, um Wartungszeiten zu umgehen und den Reibungsverluste weiter zu reduzieren. Allerdings sind Magnetlager gegenüber mechanischen Lagern relativ teuer und in der Industrie nicht unbedingt notwendig, da z.B. die Reibungsverluste bei industriellen Anwendungen aufrgrund der schnellen Zyklenwechsel nicht maßgebend sind und Wartungszeiten anderer Bauteile erforderlich sind.

Zusätzlich zu den Lagern besteht ein typisches Schwungradsystem auch aus einem Elektromotor-Generator und einem Rotor. Die Konstruktion des Rotors ist wichtig für die Bestimmung der Wirksamkeit und Effizienz des Systems. Die Welle des Schwungrades ist mit einem Elektromotor-Generator verbunden.

Die im Schwungrad gespeicherte Energie wird entladen, indem die gespeicherte Energie in der rotierenden Masse verwendet wird, um Ausgangsleistung zu erzeugen. Wenn das Gerät als Motor fungiert, wird dem Schwungrad Energie zugeführt, und wenn das Gerät als Generator fungiert, wird Energie gespeichert. Die vorhandene Energiemenge und ihre Dauer wird durch die Masse und Geschwindigkeit des Schwungrades bestimmt. Sie erzeugen eine hohe Leistungsabgabe für kurze Zeiträume, typischerweise 1-30 Sekunden.

Wirkprinzipien eines Schwungradspeichers

01 Rekuperation

Die meisten elektrifizierten Maschinen und Anlagen sind rekuperationsfähig. Rekuperation steigert die Energieeffizienz signifikant und der Gerotor HPS bietet dabei die beste Lösung Flexible und bedarfsgerechte Integration Sehr hoher Gesamtwirkungsgrad (RTE) Hohe Leistung, wenig Gewicht, Temperaturunempfindlich Lange Haltbarkeit (10-20 Jahre) bei geringer Wartung Exzellentes Preis-/Leistungsverhältn

02 Spitzenlastmanagement

Viele Prozesse in der Industrie sind volatil und haben sehr hohe Leistungsspitzen Der Gerotor HPS glättet Leistungsspitzen oder stellte Spitzenleistung zur Verfügung Dadurch können die Anschlussleistung und die Bereitstellungskosten erheblich reduziert werden Die Investitionskosten können durch das Downsizing anderer Komponenten kompensiert werden

03 Unterbrechungsfreie Stromversorgung USV

Die im Schwungradspeicher enthaltene Energie kann kurzzeitige Stromausfälle ffür einige Sekunden bis hin zu wenigen Minuten überbrücken, bis andere Stromversorgungsmethoden eingreifen. 97% aller Stromausfälle dauern 1-5 Sekunden. Die Eigenschaften der kurzfristen Notstromversorgung eines Schwungradspeichers reichen meisten aus um Anlagen in einen neutralen Arbeitsmodus zu überführen. Gerade in instabilen Stromnetzen können damit kostenintensive Produktionsausfälle vermieden werden.

Allgemeine Vorteile

Hohe Leistungsdichte

Wesentlich höhere Leistungsdichte als Batterien und höhere Energiedichte als Superkondensatoren.

Höhste Zyklenfestigkeit und Lebensdauer

Schwungradspeicher haben eine nahezu unbegrenzte Zyklenfestigkeit und die längeste Lebensdauer aller alternativen Speichersysteme (der Gerotor HPS bietet eine bis zu 20-jährige Lebensdauer).

Wartungsarm

Der Gerotor HPS erfordert wenig Wartung. Durch Selbstdiagnose werden ausfälle vermieden und der Wartungsbedarf minimiert.

Umweltschonend

Die umweltfreundliche Herstellung der Komponenten des Gerotor HPS erzeugen geringe CO2-Emissionen. Schwungradspeicher beinhalten keine toxischen Stoffe und sind einfach und vollständig recyclebar.

Schnelle Amortisation

Eine Amortisation (ROI) ist in der Regel innerhalb von 1-3 Jahren gegeben. Häufig kann durch das Downsizing anderer Komponenten und Senkung des Grundlastbezugs eine sofortige Amortisation erreicht werden.

Temperaturunempfindlich

Der Gerotor HPS kann bei Umgebungstemperaturen von -25°C bis 60°C betrieben werden.

Bessere Strom- und Netzqualität

Durch Kompensation von Oberwellen, Flicker- und Blindleistung wird die Strom- und Netzqualität gesteigert. Dies gilt von internen Gleichstromnetzen bis hin zur landesübergreifenden Netzversorgung (Harmonisierung von volatilen und schwachen Netzen).

Intelligentes Datenmanagement

Um den Betrieb Ihrer Anlagen effizient zu ermöglich werden Messdaten erhoben, die für die Industrie 4.0 und IIoT von höchster Relevanz sind.

Geschichtlicher Hintergrund - Die älterste Maschine der Welt

Bei Schwungradspeicher, auch Schwungmassenspeicher oder Schwungscheibenspeicher genannt, geht es um die Speicherung mechanischer Energie in Form von Rotation. 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 Ausbalancieren). 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.

 

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