Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Lebensdauer von Energiespeichern und die Notwendigkeit eines ganzheitlichen Ansatzes für die Optimierung von Flywheel-Energiespeichersystemen (FESS)

Die Lebensdauer eines Energiespeichers, wie etwa einer Batterie oder eines Flywheel-Energiespeichersystems (FESS), wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst, die weit über die reine Technologie des Speichers hinausgehen. Ein zentrales Beispiel ist die Mikrozyklenstrategie, bei der die gesamte Energie, die über die Lebensdauer des Speichers umgewandelt werden kann, durch häufige, kleinere Lade- und Entladezyklen maximiert wird. Hingegen kann eine häufige Tiefenentladung die Lebensdauer signifikant verkürzen. Dieses Phänomen ist besonders in komplexen Systemen wie FESS von Bedeutung, da diese Systeme aus schnell rotierenden mechanischen Komponenten bestehen, deren Funktion stark von den Umweltbedingungen abhängt.

Die Notwendigkeit, ein gesamtheitliches Systemverständnis zu entwickeln, zeigt sich insbesondere im Zusammenhang mit Flywheel-Energiespeichern. Um die Leistungsfähigkeit eines solchen Systems zu optimieren, muss nicht nur die Technologie des Energiespeichers betrachtet werden, sondern auch die Wechselwirkungen mit dem größeren System, zu dem das Fahrzeug, der Fahrer und die Infrastruktur gehören. Diese Betrachtung erfordert eine tiefgehende Analyse sowohl des "groben" Supersystems (z. B. Fahrzeug, Infrastruktur, Umwelt) als auch des "feinen" Subsystems (z. B. die Komponenten des FESS), wie in der Abbildung 4.2 dargestellt.

Darüber hinaus hat der Fahrzyklus einen direkten Einfluss auf die Art und Weise, wie das FESS dimensioniert wird. Der Fahrzyklus ist für die Bestimmung der maximal zulässigen Selbstentladungsrate und des maximalen Drehmomentverlusts des Lagersystems verantwortlich. Ebenso hängt die Rotationsgeschwindigkeit des Lagers vom Ladezustand des FESS ab. Solche Wechselwirkungen verdeutlichen, wie komplex die Abstimmung der verschiedenen Systemkomponenten aufeinander ist und wie wichtig es ist, dass alle Aspekte des Systems gemeinsam optimiert werden.

Ein weiterer relevanter Punkt ist die Wechselwirkung der Wetterbedingungen mit den verschiedenen Komponenten des FESS. Temperatur, Feuchtigkeit und Straßenverhältnisse beeinflussen die Viskosität der Schmierstoffe und die Reibungsbedingungen auf der Straße, was wiederum die Leistung und die Effizienz des Energiespeichersystems bestimmt. Die Umgebungsbedingungen können also nicht nur die physikalischen Eigenschaften der verwendeten Materialien beeinflussen, sondern auch die Effizienz der Energiegewinnung und -speicherung im Fahrzeug.

Ein Aspekt, der in diesem Kontext ebenfalls berücksichtigt werden muss, ist die Rolle des Fahrers. Das Fahrverhalten und psychologische Faktoren wie die Akzeptanz und Wahrnehmung neuer Technologien wirken sich direkt auf die Wahl der Speichersysteme und deren Ausgestaltung aus. Auch wenn es sich hierbei oft um irrationale Entscheidungen handelt, so beeinflusst sie doch maßgeblich die Entwicklung und Optimierung von Energiespeichersystemen, insbesondere im Hinblick auf hybride Technologien, die eine immer größere Rolle spielen.

Ein weiterer zentraler Punkt, der häufig übersehen wird, ist die Auswirkung von Fahrzyklen auf die Systemoptimierung. Standardisierte Fahrzyklen, wie der New European Driving Cycle (NEDC), sind die Grundlage für die energetische Bewertung und Optimierung von Fahrzeugen in Europa. Diese Zyklen entsprechen jedoch nicht immer den realen Fahrbedingungen. Die Anpassung des Fahrzeugs an den synthetischen Fahrzyklus führte oft zu besserer Kraftstoffverbrauchsoptimierung, jedoch sind diese Werte nicht immer mit der tatsächlichen Nutzung des Fahrzeugs kompatibel. Die sogenannte "Dieselgate"-Affäre hat einmal mehr die Problematik der zertifizierten Messmethoden aufgezeigt und die Notwendigkeit hervorgehoben, Fahrzyklen realistischer zu gestalten, um eine genauere Einschätzung der Energieverbrauchsdaten zu ermöglichen.

Besonders wichtig ist, dass die Entwicklung von Energiespeichersystemen nicht nur auf technologischen Innovationen beruht, sondern auch auf einem tiefen Verständnis der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Subsystemen und deren Umfeld. Die Berücksichtigung dieser Zusammenhänge führt nicht nur zu einer Verbesserung der Speichertechnologie, sondern ermöglicht auch eine nachhaltigere und wirtschaftlichere Nutzung der eingesetzten Ressourcen.

Berechnungsmethoden für die Konstruktion von Burst-Schutzgehäusen für Flywheel Energy Storage Systeme

Die Berechnung des Burst-Schutzgehäuses eines Flywheel Energy Storage Systems (FESS) ist ein komplexer Prozess, der auf verschiedenen Annahmen und Modellen basiert. Eine zentrale Herausforderung dabei ist die Berücksichtigung der kinetischen Energie, die im Rotor gespeichert ist, und deren Auswirkungen auf das Schutzgehäuse im Falle eines Rotorbruchs. Verschiedene Berechnungsmethoden, wie die von Giancarlo Genta und der NASA, bieten unterschiedliche Herangehensweisen, die auf spezifischen Annahmen beruhen.

Eine der grundlegenden Methoden zur Berechnung des Schutzgehäuses ist die Betrachtung des Zerbrechens des Rotors in mehrere Fragmente. Eine erste Methode nimmt an, dass der Rotor in drei gleich große Fragmente zerfällt, die dann das Schutzgehäuse treffen und entlang der Innenwand des Gehäuses gleiten, bis sie zum Stillstand kommen. In dieser Methode wird davon ausgegangen, dass der Aufprall inelastisch ist, das heißt, es gibt keinen signifikanten Energieverlust durch plastische Deformation, und dass die Geometrie des Schutzgehäuses sich nicht wesentlich verändert. Der gesamte Prozess ist stark vereinfacht, da weder die Energieabsorption durch plastische Deformation noch durch die Bildung neuer Oberflächen durch Rissbildung oder Reibung zwischen den Fragmenten berücksichtigt wird.

Giancarlo Genta, ein führender Wissenschaftler im Bereich der Flywheel-Energie-Speicherung, schlug 1985 eine detaillierte Berechnungsmethode vor, die bis heute häufig in der Fachwelt zitiert wird. In seinem Werk „Kinetic Energy Storage“ präsentierte Genta einen zweistufigen Berechnungsprozess. Im ersten Schritt wird angenommen, dass die Fragmente des Rotors nach dem Aufprall an das Schutzgehäuse entlang der Innenwand des Gehäuses gleiten und dabei durch Reibungskräfte abgebremst werden. Diese Berechnung berücksichtigt den Impuls der Fragmente sowie die Kräfte, die durch den Aufprall auf das Gehäuse wirken. Die zweite Stufe der Berechnung beschäftigt sich mit der Fähigkeit des Schutzgehäuses, diese Energie zu absorbieren. Es wird überprüft, ob die Struktur des Gehäuses in der Lage ist, die gesamte Energie der aufprallenden Fragmente aufzunehmen, ohne zu versagen.

Die Ergebnisse dieser unterschiedlichen Berechnungsmethoden zeigen große Abweichungen, insbesondere in Bezug auf die Wandstärken des Schutzgehäuses, die in einigen Fällen viel massiver erscheinen als in anderen. Ein Vergleich dieser Methoden mit numerischen Simulationen, wie etwa der Finite-Elemente-Methode (FEM), ist jedoch oft schwierig, da bei den meisten numerischen Berechnungen ein lineares elastisches Verhalten angenommen wird. Solche Berechnungen können jedoch als Zwischenschritt nützlich sein, um eine grobe Vorstellung von den notwendigen Dimensionen des Schutzgehäuses zu bekommen.

Es ist zu beachten, dass die tatsächliche Leistung eines Schutzgehäuses von vielen Faktoren abhängt, die in diesen theoretischen Modellen nur unzureichend berücksichtigt werden. Dazu gehören unter anderem die Materialeigenschaften des Schutzgehäuses, die Art und Weise, wie die Energie zwischen den Fragmenten verteilt wird, sowie die tatsächliche Dauer und Verteilung des Aufpralls. In der Praxis wird oft zusätzlich experimentelle Validierung erforderlich sein, um die Berechnungen abzusichern.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Berechnung von Burst-Schutzgehäusen ist die Wahl des Materials für das Gehäuse. Materialien mit höherer Festigkeit und Zähigkeit, wie etwa hochfeste Stähle oder Verbundwerkstoffe, können die Belastungen, die durch den Aufprall der Rotorfragmente entstehen, besser aufnehmen und verhindern, dass das Gehäuse versagt. Die Wahl des Materials beeinflusst nicht nur die Fähigkeit des Schutzgehäuses, die aufprallenden Fragmente zu stoppen, sondern auch das Gewicht des gesamten Systems, was wiederum Auswirkungen auf die Effizienz und den Betrieb des FESS hat.

Welche Anforderungen stellt das Lagersystem an Schwungradspeicher in mobilen Anwendungen?

Die Auswahl des geeigneten Lagersystems für Schwungradspeicher (FESS) ist eine der entscheidendsten Herausforderungen in der Entwicklung dieser Technologie. Besonders in mobilen Anwendungen, wie in Fahrzeugen, müssen neben der technischen Effizienz auch wirtschaftliche und praktische Aspekte berücksichtigt werden. Dabei spielen vor allem die Anforderungen an Lebensdauer, Reibung und Kosten eine zentrale Rolle, da sie die Performance und die Rentabilität des Systems maßgeblich beeinflussen.

Ein entscheidender Faktor für die Lebensdauer des FESS ist die Wahl des Lagersystems. Schwungradspeicher haben theoretisch das Potenzial, deutlich mehr Lade-Entlade-Zyklen als chemische Batterien zu erreichen. Dieser Vorteil kann jedoch nur dann realisiert werden, wenn das Lagersystem richtig ausgelegt ist. Das Lager muss den unterschiedlichen Belastungen standhalten, die durch die Geschwindigkeit und die externen Lasten entstehen. Insbesondere die Auswuchtung des Rotors, die Geschwindigkeit und die Reaktionskräfte, die durch das Fahrzeug erzeugt werden, haben einen signifikanten Einfluss auf die Lebensdauer des Lagers. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die richtige Balance zu finden, da das Lagersystem einer Vielzahl von Kräften ausgesetzt wird, die oft gleichzeitig auftreten.

Die Berechnung der Lagerbelastungen in einem Schwungradspeicher stellt eine weitere Herausforderung dar. Diese Belastungen setzen sich aus zwei Hauptquellen zusammen: den Kräften, die durch die Fahrzeugdynamik erzeugt werden, und denen, die direkt vom Schwungrad ausgehen. Die Fahrzeugdynamik umfasst die linearen Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte, sowie die Kräfte, die durch das Lenken, das Rollen und das Kippen des Fahrzeugs entstehen. Diese Kräfte wirken sich direkt auf das Lager aus und erfordern eine präzise Berechnung, um sicherzustellen, dass das Lager den Belastungen standhält, ohne vorzeitig auszufallen.

Darüber hinaus müssen die Ungleichgewichtskräfte des Rotors berücksichtigt werden, die durch Fertigungstoleranzen entstehen. Diese Kräfte sind während des gesamten Betriebs des Schwungradspeichers kontinuierlich vorhanden und können im Vergleich zu den dynamischen Fahrzeugkräften überwiegen. Doch die höchsten absoluten Belastungen entstehen durch die gyroskopischen Reaktionskräfte, die beim Fahren des Fahrzeugs auftreten. Diese Kräfte sind vor allem während der Beschleunigung, beim Abbremsen oder in Kurvenfahrten relevant. Sie haben die Fähigkeit, das Lager über kurze Zeiträume stark zu beanspruchen, was zu einer Reduzierung der Lebensdauer führen kann. Deshalb ist eine genaue Abschätzung der gyroskopischen Reaktionskräfte erforderlich, um das Lagersystem für den langfristigen Betrieb zu optimieren.

Auch die kompakte Bauweise des Systems stellt besondere Anforderungen an das Lagersystem. In mobilen Anwendungen ist der Platz begrenzt, sodass das Lager in das Gesamtkonzept integriert werden muss, ohne dass die Funktionalität oder Effizienz des FESS beeinträchtigt wird. Dies bedeutet, dass die Entwicklung des Lagersystems eng mit der Gesamtgestaltung des Schwungradspeichers verbunden sein muss.