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.
