Teil 5 der Wochenserie Stromspeicher: Schwungradspeicher von Beacon Power, Temporial Power und Rotokinetik UG

Neue Technologien für dezentrale Stromspeicher

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CleanTech & Energiespeicher News. In der vergangen Woche begann CleanThinking.de mit einer Wochenserie zum Thema Stromspeicher, die am heutigen Monat mit dem Thema Schwungradspeicher abgeschlossen wird. Schwungradspeicher sind grundsätzlich eine sehr alte Technologie. Sie waren von jeher Bestandteil diverser Maschinen, bei denen eine diskontinuierliche Energieabgabe egalisiert werden musste. Das Grundprinzip der Schwungradspeicher basiert darauf, dass in rotierenden Massen Energie gespeichert wird und zwar in Abhängigkeit der Gesamt-Masse, der Massen-Trägheit und der Drehzahl. Je höher, desto mehr Energie muss zum Beschleunigen der Massen investiert werden und desto mehr Energie ist darin gespeichert.

Kurzer Rückblick auf die bislang erschienenen Teile der Serie: Den Anfang machten dezentrale Speicher-Technologien auf Basis der Schwerkraft (hier nachlesen). Danach ging es um neue Batterie-Technologien fernab der Lithium-Ionen-Varianten (hier nachlesen). Anschließend wurde die Energiespeicherung in Seen und Gewässern genauer beleuchtet (hier nachlesen). Gestern ging es schließlich um PHES (hier nachlesen). Der Autor der Serie “Neue Technologien für dezentrale Stromspeicher” ist Christian Wiesner, Vertriebsleiter der ROTOKINETIK UG, aus Hamburg. Im heutigen und damit letzten Teil beschäftigt er sich mit Schwungradspeichern.




Kommerziell eingesetzt werden Schwungräder heute vielfach in USV-Anwendungen, also bei unterbrechungsfreien Spannungsversorgungen. Gerade weil die Technologie an sich schon so bekannt ist, mag er erstaunlich klingen, dass gerade jetzt versucht wird, aus Schwungradspeichern ernstzunehmende Alternativen zu Batterien zu bauen, mit durchaus beachtlichen Speicherkapazitäten. Das hängt im wesentlichen mit der Erfindung eines unglaublichen Werkstoffes zusammen, nämlich mit modernen Glasfaser- und Kohlenfaser-verstärkten Kunststoffen (GFK und CFK). Diese weisen eine unglaublich hohe Festigkeit in Faserrichtung auf, wesentlich höher als selbst festeste Stähle, und erlaubten es den Konstrukteuren der Schwungradspeicher mit den so gefertigten Rotoren immer höhere Drehzahlen zu erreichen, ohne dass diese durch die immensen Flieh-Kräfte zerrissen werden.

Extrem hohe Drehzahlen

Allgemein bekannt wurden diese modernen, mit teilweise aberwitzigen Drehzahlen von bis 80.000 U/min rotierenden CFK-Schwungräder aber erst mit dem Formel-1-Team von Frank Williams, die, anstatt wie die anderen Teams einfach Batterien einzusetzen, in ihren Renner einen kleinen Schwungradspeicher eingebaut hatten (bis das von der FIA verboten wurde).

Warum Williams sich für ein Schwungrad entschied, ebenso wie Porsche für den 911 Hybrid-Rennwagen mit dem Porsche im Jahr 2012 das 24h- Langstreckenrennen am Nürburgring gewann, liegt auf der Hand: Moderne Schwungräder mit CFK-Rotoren weisen eine höhere spezifische Speicher-Kapazität als selbst die besten Lithium-Ionen-Akkus auf (kWh/kg), und lassen sich zudem mit sehr hohen Leistungen in wenigen Sekunden aufladen, und auch wieder entladen.

Versucht man dies mit Batteriezellen, verschleißen sie bereits nach wenigen Ladezyklen. Gerade im Rennsport dauern die Ladevorgänge beim Bremsen oft nur wenige Sekunden, und die so gespeicherte Energie muss dann schnell wieder abgegeben werden, für den danach anstehenden Beschleunigungsvorgang. Für diesen Einsatzzweck sind Schwungradspeicher geradezu prädestiniert, sie können mit extrem hohen Leistungen be- und wieder entladen werden. Leider sind sie aber auch deutlich teurer als Batterien, speziell in den Versionen die mit sehr hohen Drehzahlen arbeiten, und die Lager der Rotoren werden bei diesen Drehzahlen auch sehr belastet, weshalb sie oft ausgetauscht werden müssen.

Für den Einsatz als dezentrale Stromspeicher im allgemeinen Stromnetz kommen solche Schwungradspeicher im Allgemeinen für solche Einsatzzwecke in Frage, bei denen hohe Leistungen bei einer relativ kleinen Speicherkapazität gefordert sind, also bei der Frequenzregelung, und als Pufferspeicher bei schnellen Lastspitzen. Im Folgenden sehen wir uns die in diesem Segment aktiven Unternehmen einmal an.

BEACON Power, USA

Schwungradspeicher Beacon PowerKaum ein Unternehmen im Bereich der Energiespeicherung hat in den letzten Jahren so viel Aufsehen erregt wie BEACON Power. Mit einem großzügigen Kredit in Höhe von 42 Mio US$ vom DoE (Department of Energy) ausgestattet, machten sie sich daran einen Speicherpark mit 200 (!) ihrer Schwungradspeicher zu bauen, in Stephentown, etwas außerhalb von New York. Der Zweck des Parks war die Eignung der eigenen Schwungradspeicher für die Frequenzregelung zu beweisen, und damit auch noch direkt Geld zu verdienen, über den Verkauf dieses Service an das New Yorker Netz. Leider haben sich die Bostoner damit etwas übernommen, sie gingen in Konkurs und die schönen Steuergelder mussten erst mal abgeschrieben werden.

Doch damit war die Geschichte nicht zu Ende, BEACON Power fand einen neuen Investor, und der führte die Anlage tatsächlich zu Ende. Nach Aussage des neuen CEO, Mr. Barry Brits, sind mittlerweile alle 200 Einheiten am Netz, jede mit 25 kWh Kapazität und 100 kW Leistung (gesamt 5 MWh und 20 MW), und die Verfügbarkeit beträgt >99 Prozent. Ingenieure wissen natürlich, dass das noch immer keine wirklich überwältigende Verfügbarkeit ist, auf ein Jahr gerechnet bedeutet das dass jede Einheit im Schnitt ca. 80 Stunden lang nicht zur Verfügung steht, z.B. weil sie gerade gewartet wird oder kaputt ist, jedoch weist das zumindest daraufhin dass die anfänglichen Kinderkrankheiten der Einheiten, die in der Spitze bei ca. 15.000 U/min arbeiten, erfolgreich kuriert wurden.

Das Konzept von BEACON Power basiert auf einem gewickelten Rotor aus CFK-Fasern, die mit Harz ausgegossen werden. Obwohl diese Rotoren prinzipiell enorme Belastungen aushalten, haben sie auch eine Achilles-Ferse, und diese liegt in der schwachen Verbindung von Faser zu Fase, die ja nur über den Klebeeffekt des Harzes gewährleistet ist. Bei höheren Drehzahlen, obwohl die Fasern selbst noch lange nicht am Ende sind, lösen sich die Harzbindungen der Fäden voneinander ab, es kommt zu einer ‚De-Laminierung‘ des gesamten Rotors. BEACON hat dazu einige interessante Patente, z.B. ändern sie die Vorspannung der CFK-Fäden beim Wickeln der Rotoren von innen nach außen, und können so diese Probleme besser in den Griff bekommen.

Der Schwachpunkt des BEACON-Konzeptes bleiben die hohen Kosten für die Einheiten, die gerade auch aus den teuren CFK-Rotoren und den speziellen Lagern resultieren, die hier eingesetzt werden müssen. Dennoch greift das Unternehmen jetzt die nächsten Projekte an, Mr. Brits kündigte neulich an dass der Speicherpark in Tyngsboro, MA, neu aufgerollt wird, und sprach über ein weiteres Projekt in Pennsylvania.

TEMPORAL Power, Kanada

Die Schwungrad-Version von Temportal Power, Cleantech-Unternehmen aus Kanada.Einen komplett anderen Weg beschreiten dagegen die Kollegen von Temporal Power in Kanada: Sie verzichten anscheinend auf teure CFK-Rotoren, und verwenden dafür lieber extrem hochfeste Stähle, angeblich für die NASA entwickelt. Das spart Kosten – auch Spezial-Stahl ist ja wesentlich billiger als CFK – und erlaubt es daher die Rotoren deutlich schwerer zu machen, so dass die Einheit, bei vermutlich etwas niedrigeren Drehzahlen, angeblich den doppelten Energieinhalt wie die von BEACON Power aufweist, nämlich 50 kWh. Das scheint derzeit der größte kommerziell verfügbare Schwungradspeicher zu sein, bei eindrucksvollen 500 kW je Einheit, und besonders eindrucksvoll sind die Angaben von TEMPORAL zur extrem niedrigen Selbstentladung von gerade mal 0,5% / Stunde. Wenn diese Angaben stimmen, ist den Kanadiern ohne Zweifel ein großer Wurf gelungen, jedoch gibt es wohl bisher noch keine direkten Erfahrungswerte mit den Einheiten.

Wie gut diese tatsächlich können sie jetzt bald beweisen, denn TEMPORAL Power haben ebenfalls den Auftrag für die Realisierung eines Speicherparks mit insgesamt 10 Einheiten erhalten, mit 5 MW Leistung und 500 kWh Kapazität, im Bundestaat Ontario.

AMBER Kinetics, USA

Wie um meine Einleitung zu diesem Artikel Lügen zu strafen trat vor Kurzem ein weiterer Anbieter für Schwungradspeicher aus den Plan, das Cleantech-Unternehmen AMBER Kinetics aus Kalifornien, die ebenfalls auf Spezialstahl für die Rotoren setzt, statt teurem CFK, mit dem Ziel die Drehzahlen zu senken und so Kosten zu sparen. Jedoch scheint das Unternehmen noch in einem sehr frühen Stadium zu sein, die Website enthält praktisch noch keine irgendwie verwertbaren Informationen, nicht mal die Kapazität ist angegeben, und Aufträge haben die Amerikaner wohl auch noch keine.

ROTOKINETIK, Hamburg

Zu guter Letzt erlaube ich mir noch ein wenig Eigenwerbung zu betreiben, für unser Konzept der RK-Akkumulatoren bei ROTOKINETIK in Hamburg. Warum nur, so mag sich der eine oder andere fragen, will außer BEACON Power niemand das Wundermaterial CFK für kommerzielle, stationäre Schwungradspeicher einsetzen?

Nun, diese Frage ist leicht zu beantworten: Neben den hohen Kosten durch das teure CFK-Material bereitet das sehr hohe Drehzahlniveau, auf dem diese wegen ihres niedrigen Gewichts betrieben werden müssen, in der Praxis große Schwierigkeiten mit dem Verschleiß der Lager. Stahl-Rotoren können erheblich schwerer ausgeführt werden, und können dann mit niedrigeren Drehzahlen arbeiten, was die Langlebigkeit erhöht und Kosten spart. Tatsächlich scheint das der Schlüssel für die wichtige Kostenreduktion bei Schwungradspeichern zu sein, und das würde bedeuten dass der große Aufwand, den BEACON Power betreiben, für stationäre Anwendungen gar nicht zielführend ist. Sehen wir uns die Formel für den Energieinhalt in einem Rotor dazu nochmal genau an:

E kin = ½ x ( ½ x m r ² ) x ( 2π x n ) ²  (Erklärung: (E kin = ½ Trägheitsmoment J x Drehgeschwindigkeit ω ²))

Wie sofort zu erkennen ist, gibt es tatsächlich zwei Größen, die im Quadrat in die Energie eingehen, nämlich wie zu erwarten die Drehzahl ‚n‘, aber eben auch der Radius ‚r‘ des Rotors, denn dieser geht im Quadrat in das Trägheits-Moment ein. Für mobile Einheiten, bei denen sehr viel Energie auf möglichst kleinem Raum und bei geringem Gewicht gespeichert werden soll, sind hohe Drehzahlen und leichte CFK-Rotoren also ganz klar das Mittel der Wahl.

Will man aber die Haltbarkeit der Einheiten verbessern und die Kosten reduzieren, so sollte man versuchen die Drehzahlen eher niedrig zu halten. Dann bietet es sich aber an den Radius der Rotoren zu vergrößern, denn auch so lassen sich sehr hohe Energien in diesen speichern !
Rotoren aus einem speziellen Stahl/CFK-Verbund

Bei unseren RK-Akkumulatoren sollen weder CFK- noch Stahl-Rotoren zum Einsatz kommen, viel mehr sollen diese in einem speziellen, harzfreien Verbund-Verfahren aus hochfesten Stahlblechen und CFK-Fäden hergestellt werden, und das in völlig neuen Dimensionen. Unser Team ist nämlich davon überzeugt dass Schwungradspeicher immer billiger werden können, je größer man sie baut. Die Rotoren unserer Einheiten sollen daher fast 25 Tonnen wiegen, und einen Durchmesser von 2,5 m aufweisen. Bei 6.000 U/min lässt sich so eine ganze Mega-Watt-Stunde an Energie speichern (1 MWh = 1.000 kWh), also 40-mal mehr als eine heute bekannte Einheit von BEACON Power.

Die sehr große Ausführung hat noch weitere Vorteile, sie ermöglicht den Einsatz von speziellen Komponenten, die helfen können weitere Kosten zu sparen: So wollen wir in den leistungsfähigen Versionen, mit bis zu 10 MW Ladeleistung, sogenannte DFIG-Generatoren einsetzen, um Kosten für die sehr teuren 4-Quadranten-Frequenz-Umrichtern zu sparen. Dieser Trick wird seit Jahren erfolgreich bei starken Windkraft-Anlagen eingesetzt, und hat sich dort bewährt. Bei kleinen Schwungrädern rechnet sich dieser Aufwand nicht, jedoch für größere Einheiten umso mehr. Die dazu notwendigen Bürsten, für das Einleiten der Induktionsströme in den Läufer des Motor-Generators, werden durch die im Gehäuse des Schwungradspeichers herrschende Niederdruck-Atmosphäre begünstigt, wegen des niedrigen Sauerstoff-Gehalts.

Für den Start der Rotoren, z.B. nach einer Wartung, erhalten sie zudem einen kleinen 100 kW Hilfsmotor, und dieser übernimmt noch zwei weitere Funktionen : Sollen die Einheiten über längere Zeit mit hohen Drehzahlen rotieren um die gespeicherte Energie zu halten, so kann der Hauptantrieb abgeschaltet werden, um Energie zu sparen. Den Antrieb übernimmt dann der Hilfsmotor, er ist stark genug um die Lagerreibung zu überwinden, was die Selbstentladung des Speichers enorm reduziert. Derselbe Hilfsmotor kann auch als Notstrom-Aggregat im Falle eines Stromausfalls dienen, so kann er die Hauptsteuerung noch über Stunden mit Strom versorgen, um kritische Betriebszustände zu vermeiden und nach dem Stromausfall schnell wieder einsatzbereit zu sein.

Wir planen unsere RK-Akkumulatoren derzeit in drei Varianten: In der günstigsten Ausführung mit ca. 2 MW Ladeleistung, die ca. 900.000,- € kosten wird, wollen wir in Wettbewerb mit Batterie-Containern mit ebenfalls 1 MWh Kapazität treten, mit deutlichen Vorteilen bei der Lebensdauer und der maximalen Anzahl der Lade-Zyklen (> 1 Mio.), einer akzeptablen Selbstentladung von ca. 2,0 – 2,5%/h, und bei absolut vergleichbaren Kosten.

Bei den beiden leistungsfähigen Varianten mit 5 und 10 MW kommen DFIG-Generatoren und Hilfsmotoren zum Einsatz. Die stärkste Version soll dann ca. 1,4 Mio. € kosten, und wäre in der Folge mit ca. 140,- € / kW Ladeleistung die derzeit mit großem Abstand kostengünstigste Stromspeichereinheit auf dem Markt, sogar große Pumpspeicherwerke (ca. 400 – 800,- € / kW) würde sie deutlich unterbieten können. Ideal geeignet wären die Einheiten daher für die Netz-Stabilisierung, z.B. bei Umspannwerken und Netzknoten. Durch die hohe Lade- und Entladeleistung von bis zu 10 MW, die zudem über 6 Minuten aufrecht erhalten werden können, stellen sie extrem leistungsfähige Puffer für Stadtwerke, Industriegebiete und größere Gemeinden dar.

Fazit

Leider stellt sich der Markt für Stromspeicher im Augenblick aber noch wenig positiv dar, im Gegenteil, die Einnahmen für Stromspeicher (siehe Pumpspeicherwerke) sind sogar rückläufig. Dabei bezweifelt niemand dass in diesem Land dringend Stromspeicher benötigt werden, wenn die Energiewende wirklich voll umfänglich gelingen soll.

Die Technologien dafür sind bereits in der Pipeline, ich hoffe dass ich Ihnen dazu mit dem Bericht zu neuen dezentralen Stromspeicher-Technologien einen guten Überblick verschaffen konnte. Nun liegt es an der Bundesregierung die richtigen Signale in den Markt zu senden, damit diese auch wirklich realisiert werden können.

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4 Kommentare

  • Prof. Canders

    Kurze Anmerkung zum Grundkonzept:
    Die für die Festigkeitsrechnung maßgebliche Größe ist die Umfangsgeschwindigkeit (Omega*R). Gleiche Umfangsgeschwindigkeit = gleiche Fliehkraftbeanspruchung.
    Insofern kommen Sie durch Absenken der Drehzahl und Vergrößern des Radius aus der Festigkeitsproblematik mit Stahl nicht heraus.
    Um die Energie vernünftig auszukoppeln brauchen Sie einen Drehzahlhub von 1:2 , besser 1:3, das wird mit einem DFIG sehr schwierig bis unmöglich. DFIGs werden in der Windindustrie für Drehzahlhübe 1:1,4 gebaut, was bei der kubischen Leistungskennlinie der WEA auch völlig ausreicht.
    Gruß
    W.-R. Canders

  • Heinz Mense

    Hallo Herr Wiesner,
    ich lebe in Australien , bin im Ruhestand lebender Elektronik Entwickler. Fuer die vielen Solaranlagen waere ein rel. kleiner Speicher mit etwa 10Kwh fuer eine kurze
    Speicherzeit interessant. Gibt es so etwas schon?
    MfG
    Heinz Mense

    • Hallo Herr Mense,

      ja, es gibt bereits solche Speichertechnologien. Wichtige deutsche Produkte sind MyReserve von Solarwatt, das Speichersystem von Sonnenbatterie oder die Hauskraftwerke von E3/DC. Googlen Sie doch einmal gezielt nach diesen Firmen/Produkten.

      Beste Grüße, Martin Jendrischik

  • Nachtrag :

    Der Vollständigkeit halber hatte ich im Original-Text die Firmen ROSETTA und PILLER aus Deutschland, und Vycon erwähnt, jedoch musste der Text etwas gekürzt werden. PILLER und Vycon verwenden Schwungräder in USV-Anwendungen, ROSETTA speichern damit Bremsstrom von S- und U-Bahnen zwischen, damit dieser beim Beschleunigen der Bahn wieder zur Verfügung steht. PILLER und Vcon setzen Stahl-Schwungräder ein, ROSETTA wickeln diese aus Carbonfasern in einem speziellen Verfahren.

    Nun hat mich auch noch eine Zuschrift von Herrn Dr. Frank N. Werfel vom Adelwitz Technologiezentrum GmbH (ATZ) in Torgau erreicht, der uns für unser Projekt ROTOKINETIK viel Glück wünscht. ATZ haben selbst ein starkes Schwungrad mit 500 kW Leistung bei 5 kWh Kapazität gebaut, wobei dessen Spezialität die fast verlustfreie Lagerung des Rotors über Magnetlager mit Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) ist. Natürlich muss der Aufwand der Kühlung für die HTS hier gegengerechnet werden, so dass die Lagerung nicht gänzlich verlustfrei ist, aber gerade bei sehr großen Einheiten, wie wir sie planen, kann sich dieser Aufwand tatsächlich rechnen. Dr. Werfel spricht von einer Variante seines Lagers, die ca. 10 Tonnen tragen könnte, das wäre ein wunderbarer Ansatz für eine Zusammenarbeit, gerade für unsere zukünftige Einheiten mit bis zu 5 MWh, die dann über 14.000 U/min schnell drehen sollen !

    Alternativ haben wir dazu auch bereits mit dem Würzburger Erfinder Friedbert Schäfer kommuniziert, der für solche Anwendungen eine ‚Homopolarmaschine‘ erfunden hat, die auch auf seiner Homepage beschrieben ist : http://www.homopolar.de/homopolarmaschine.html .

    In der ersten Version unserer Einheiten, mit 1 MWh, planen wir aber den Einsatz von konventionellen Lagern, also Kugellager für die radialen Kräfte und Gleitlager für die axialen.

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