Suchen

Schwungmassenspeicher Wenn ein Stromspeicher zum Klimaschützer wird

Autor / Redakteur: Marcel Werner* / Sariana Kunze

Klimaschutz ist heutzutage zu einem Muss geworden. Wer seine CO2-Emissionen in industriellen Anwendungen verringert, will aber gleichzeitig auch eine Verbrauchsreduktion erzielen. Ein Start-up macht dies mit Hilfe von Spitzenlast-Management und Rekuperation möglich.

Firmen zum Thema

Der Hochleistungsspeicher Gerotor HPS kann beispielsweise direkt an den DC-Zwischenkreis einer Roboterzelle gekoppelt werden.
Der Hochleistungsspeicher Gerotor HPS kann beispielsweise direkt an den DC-Zwischenkreis einer Roboterzelle gekoppelt werden.
(Bild: Gerotor)

Mit rund 230 Terrawattstunden ist die deutsche Industrie führend beim Thema Stromverbrauch. Allein dieser Sektor verschlingt 47 % (Stand 2018) des gesamten Landesverbrauchs. Maßnahmen zur Reduktion sind deshalb besonders vielversprechend. Durch eine politische Weichenstellung gehört der Einsatz von Energiemanagementsystemen nach ISO 50001, der Nachweis der Wirksamkeit in Form von Effizienzsteigerung nach ISO 50003 sowie die Ökodesignanforderungen für elektrische Antriebssysteme im Niederspannungsbereich nach der europäischen Norm EN 50598 zu den Vorgaben für Unternehmen. Jedoch beeinflussen viele Faktoren den Umgang mit Strom und Energieeffizienz: Nicht nur die Energiewende veranlasst zum Handeln, auch die Kosten, die bis zu 10 % der gesamten Produktionskosten ausmachen können – in energieintensiven Industrien sogar bis zu 40 %. Zudem steigen die Strompreise. Der effiziente Einsatz der bezogenen Energie wird für Unternehmen somit immer wichtiger.

Bildergalerie

Schwungmassenspeicher aus der Formel 1 helfen elektrischen Motoren

Als größte Verbraucher gelten mit 70 % die elektrischen Antriebe und Motoren. Dabei sind die meisten Maschinen und Anlagen rekuperationsfähig und ermöglichen somit beim Abbremsen die Umwandlung der Bewegungsenergie in elektrische Energie. Da die Motoren in diesen Anwendungen permanent zwischen Abbremsen und Beschleunigung wechseln, müssen die Energiespeicher kurzfristig ein hohes Leistungsvermögen aufweisen. Bremsenergie kann daher nur von extrem zyklenfesten und leistungsstarken Energiespeichern genutzt bzw. rekuperiert werden. Schwungmassenspeicher (engl. Flywheel Energy Storage Systems, kurz FESS), aus der Formel 1 auch als KERS bekannt, weisen die passenden Eigenschaften für diese Anwendungen auf. Die Technologie beruht auf elektromechanischen Kurzzeitspeichern, die nach dem Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses arbeiten und Energie in rotierenden Massen speichern. Sie bestehen aus einem integrierten High-Speed-Elektromotor, der sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben wird. Durch die Rotation wird Strom kinetisch gespeichert, weshalb Schwungmassenspeicher auch als kinetische Batterie bezeichnet werden. Der Speicher kann die elektrische Energie für den angeschlossenen Verbraucher, in der Regel Antriebsmotoren, liefern. Dabei ermöglicht er eine hohe Leistungsabgabe für kurze Zeiträume; innerhalb von Millisekunden wird volle Leistung typischerweise für etwa ca. 30 Sekunden erbracht. Je höher und je häufiger die Lastzyklen, desto effizienter ist das System.

Start-up entwickelt Stromspeicher weiter

Dieses Prinzip hat das Münchner Start-up Gerotor mit dem Hochleistungsspeicher Gerotor HPS für industrielle Anwendungen weiterentwickelt. Der Stromspeicher ist als mechanisches Bauteil verschleiß- und wartungsarm und lässt während seiner 20 Jahre Lebensdauer nahezu unendlich viele Lade- und Entladezyklen unabhängig von der Entladungstiefe zu, denn ein Schwungmassenspeicher unterliegt keinem chemischen Alterungsprozess. Der Speicher erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 95 %. Beim Gerotor werden Ruheverluste, die durch Reibung an den Lagern und an den Schwungmassen entstehen, durch eine Vakuumkammer verringert, in der die Schwungmasse läuft. Zudem sind die Speicher weitestgehend unempfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen: Der Speicher kann bei Temperaturen von -25 °C bis 60 °C betrieben werden. Gerotor hat zusammen mit dem Fraunhofer Institut und der Universität Stuttgart das STEFF-Control Forschungsprojekt initiiert und damit neue Dimensionen der Künstlichen Intelligenz für Industrieanwendung geschaffen. Smarte Algorithmen versetzen den Energiespeicher in die Lage, sich selbstständig im Hinblick auf ein Maximum an Energieeffizienz und auf vorbeugende Wartung zu optimieren. Zudem können digitale Dienste wie Energie-Monitoring über OPC UA ermöglicht werden.

Ergänzendes zum Thema
Maschinenbau-Gipfel 2019
Stromspeicher gewinnt Start-up-Award

Das Start-up Gerotor wurde im vergangenen Herbst mit dem „Start-up-Award Maschinenbau-Gipfel 2019“ für seinen klimafreundlichen Stromspeicher ausgezeichnet. Der Award wurde auf dem Deutschen Maschinenbaugipfel durch ein Teilnehmer-Voting unter 500 Entscheidern an junge Unternehmen vergeben. Mit dem Stromspeicher können Industrie- und Produktionsunternehmen die Energieeffizienz von Maschinen und Anlagen erhöhen. Von elektrochemischen Speicherlösungen unterscheidet sich der Gerotor HPS durch die Vermeidung umweltbelastender Inhaltsstoffe, seine Recyelbarkeit und seine Langlebigkeit.

Geschwindigkeit geht mit der Drehzahl ins Quadrat

Die Energiemenge eines Schwungmassenspeichers hängt von der Masse des Rotors und seiner Drehgeschwindigkeit ab. Sogenannte Low-Speed-Schwungräder setzen auf Masse, wobei die Energie sich mit der Masse verdoppelt. Beim Gerotor HPS, der sich mit bis zu 60.000 Umdrehungen pro Minute dreht, ist die Rotationsgeschwindigkeit ausschlaggebend: Die Geschwindigkeit geht mit der Drehzahl ins Quadrat. Ein schnelleres Schwungmassensystem kann also relativ klein ausfallen, und mit kleinen Schwungrädern können kompakte Speicher-Designs realisiert werden. Gerotor-Einheiten lassen sich mit einem Durchmesser von 220 mm, einer Höhe von ca. 250 mm und einem Gewicht von ca. 20 kg direkt an den DC-Zwischenkreis der Anlage oder Maschine koppeln – dabei kann beliebig skaliert werden, indem mehrere der HPS-Einheiten mit einer Lade-/ Entladeleistung von jeweils 50 kW Nennleistung und 60 kW Spitzenleistung sowie einem Energieinhalt von derzeit 135 bis 300 kJ parallel geschaltet oder für Anlagengruppen und ganze Werke in Power-Racks oder Power-Containern (AC) zusammengefasst werden.

Sauberer Strom und eine unterbrechungsfreie Stromversorgung

Der Gerotor kann durch die Kompensation von Oberwellen, Flicker und Blindleistung die Strom- und Netzqualität sowohl in internen Gleichstromnetzen als auch bei der Netzversorgung verbessern und verhindert negative Auswirkungen auf sensible Komponenten. Zudem dient er als kurzfristige unterbrechungsfreie Stromüberbrückung bei Ausfällen des Netzstroms für bis zu 15 Sekunden.

Mit Schwungmassenspeicher bis zu 30 % einsparen

Kosteneinsparungen durch das Spitzenlastmanagement können sich in mittelständischen Betrieben auf ca. 80 Euro pro Kilowatt Anschlussleistung summieren, beschreibt das Start-up. Dazu kommen Verbrauchsreduktionen von durchschnittlich 15 bis 20 % durch die Rekuperation. Je nach Anwendung sind auch höhere Einsparungen von bis zu 30 % möglich. Dabei werden neben den Energiekosten auch mehrere Tonnen CO2 pro Jahr eingespart. Ein Schwungmassenspeicher hilft somit durch intelligentes Spitzenlastmanagement, gezielte Rekuperation und bessere Stromqualität die Energieeffizienz von Maschinen und Anlagen zu steigern. Und deckt die Anforderungen an ein aktives Energiemanagement dort ab, wo Batteriespeicher physikalisch ungeeignet sind.

* Marcel Werner, Mitgründer, Business Development, Gerotor GmbH

(ID:46306152)