23.07.2019

Rekuperation von Bremsenergie

Schwungmassenspeicher als Klimaschützer

Ein Schwungmassenspeicher kann mehr als nur unterbrechungsfreie Stromversorgung. Das Startup Gerotor hat die Technik zu intelligenten Hochleistungseinheiten weiterentwickelt. Kostenreduktionen werden durch Spitzenlast-Management erzielt, und mit Hilfe von Rekuperation lässt sich der Stromverbrauch deutlich senken.


Der Hochleistungsspeicher Gerotor HPS ermöglicht in industriellen Anwendungen Verbrauchsreduktionen durch Rekuperation.
Bild: Gerotor GmbH

Schwungmassenspeicher, auf englisch Flywheel Energy Storage Systems (kurz FESS), beruhen auf elektromechanischen Kurzzeitspeichern, die nach dem Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses arbeiten und Energie in rotierenden Massen speichern. Sie bestehen aus einem integrierten Highspeed-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. 30s erbracht. Je höher und je häufiger die Lastzyklen, desto effizienter ist das System.

Vorteile der Schwungmassentechnik

Dieses Prinzip hat das bayerische Startup Gerotor mit dem Hochleistungsspeicher 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 - ein Schwungmassenspeicher unterliegt keinem chemischen Alterungsprozess. Von Haus aus erreicht er einen Wirkungsgrad von bis zu 95 Prozent. Bei Gerotor werden Reibungs- bzw. Ruheverluste durch eine Vakuumkammer verringert, in der die Schwungmasse läuft. Zudem sind Schwungmassenspeicher weitestgehend unempfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen: Der HPS-Speicher kann bei Temperaturen von -25 bis +60°C betrieben werden. Als zukunftsträchtige Lösung ist er aufgrund smarter Algorithmen in der Lage, sich selbst im Hinblick auf größtmögliche Energieeffizienz anzupassen. Als selbstlernender Speicher misst er für den effizienten Eigenbetrieb hochpräzise das Stromverhalten der zugrundeliegenden Anwendung. Diese Verhaltensdaten über Maschinen und Anlagen können - nach Freigabe durch alle Beteiligten - z.b. für Monitoring-Systeme im IIoT erfasst, vorverarbeitet und über OPC UA zur Verfügung gestellt werden.

Smarte Speicher im kompakten Design

Die Energiemenge eines Schwungmassenspeichers hängt von der Masse des Rotors und seiner Drehgeschwindigkeit ab. Sogenannte Lowspeed-Schwungräder setzen auf Masse, wobei sich die Energie mit der Masse verdoppelt. Beim Hochgeschwindigkeits-Speicher HPS mit bis zu 60.000U/min ist die Rotationsgeschwindigkeit ausschlaggebend und im Hinblick auf die speicherbare Energiemenge vorteilhafter: 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 220mm, einer Höhe von rund 250mm und einem Gewicht von ca. 25kg direkt an den DC-Zwischenkreis der Anlage oder Maschine koppeln. Je nach Kundenanforderungen kann beliebig skaliert werden, indem mehrere der HPS-Einheiten mit einer Lade- bzw. Entladeleistung von jeweils 50kW Nennleistung und 60kW Spitzenleistung sowie einem Energieinhalt von derzeit 135 bis 300kJ parallel geschaltet oder für Anlagengruppen und ganze Werke in Power-Racks oder Power-Containern zusammengefasst werden.

Sauberer Strom ohne Unterbrechung

Mit diesen Eigenschaften eignet sich der Speicher HPS für unterschiedliche Aufgaben. Grundsätzlich verbessert er durch die Kompensation von Oberwellen, Flicker und Blindleistung die Strom- und Netzqualität sowohl in internen Gleichstromnetzen als auch bei der Netzversorgung und verhindert negative Auswirkungen auf sensible Komponenten. Zudem dient er als kurzfristige unterbrechungsfreie Stromüberbrückung bei Ausfällen des Netzstroms für bis zu 15s. Da 97 Prozent aller Stromausfälle im Bereich bis 3s liegen, reicht diese Überbrückungszeit in den meisten Fällen aus, um Anlagen in einen neutralen Arbeitsmodus zu überführen. In instabilen Stromnetzen können damit kostenintensive Produktionsausfälle vermieden werden.

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Weniger Verbrauch, weniger Kosten

Beim Einsatz für das Spitzenlastmanagement in volatilen industriellen Prozessen lassen sich mit den Speichern der HPS-Baureihe deutliche Kostenreduktionen bei Anschlussleistung und Bereitstellung durch die Glättung von Lastspitzen sowie die Bereitstellung von Spitzenleistung erreichen. Über die Lastspitzenkappung hinaus, bei der die Kostenreduktion beim Netzentgelt im Vordergrund steht, mindert das System Energieverschwendung durch die Rekuperation von Bremsenergie. Kosteneinsparungen durch das Spitzenlastmanagement mit dem HPS-Speicher von Gerotor können sich in mittelständischen Betrieben auf ca. 80 Euro pro Kilowatt Anschlussleistung summieren, wodurch schnell große Summen eingespart werden können. Dazu kommen Verbrauchsreduktionen von durchschnittlich 15 bis 20 Prozent durch die Rekuperation. Je nach Anwendung sind auch deutlich höhere Einsparungen bis 30 Prozent möglich, z.B. bei Produktionsmaschinen im Dreischichtbetrieb in der Serienfertigung der Automobilindustrie. Dabei wird neben den Energiekosten zudem CO2 im Umfang von mehreren Tonnen pro Jahr eingespart. Unterm Strich rechnet sich die Anschaffung des Gerotor-Speichers durch die Einsparungen innerhalb von ein bis drei Jahren. Häufig kann durch das Downsizing anderer Komponenten und die Senkung des Grundlastbezugs die Amortisation noch schneller erreicht werden.

Alternative für Batteriespeicher

Aufgrund ihrer Leistungs- und Energiedichte sowie ihrer Zyklenfestigkeit decken Schwungmassenspeicher von Gerotor die Anforderungen an ein aktives Energiemanagement in der Industrie dort ab, wo Batteriespeicher physikalisch ungeeignet sind. Dabei zielt der Hersteller auf diejenigen Anwendungen ab, bei denen der Großteil des Stromverbrauchs entsteht. In effizienter und flexibler Weise hilft das HPS-System dabei, durch intelligentes Spitzenlastmanagement, gezielte Rekuperation und verbesserte Stromqualität die Energieeffizienz von Maschinen und Anlagen zu steigern.

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