Wie kann die Flywheel-Energiespeicherung in Hybridfahrzeugen optimiert werden?

Die Entwicklung von Flywheel-Energiespeichersystemen (FESS) hat sich als eine vielversprechende Technologie für hybride Antriebssysteme herausgestellt, die insbesondere in Fahrzeugen eine bedeutende Rolle spielen könnte. Die Funktionsweise dieser Systeme basiert auf der Speicherung von kinetischer Energie, die während bestimmter Betriebszustände des Fahrzeugs, wie zum Beispiel bei der Bremsung, zurückgewonnen wird. Dies führt zu einer effizienteren Nutzung von Energie, verringert den Kraftstoffverbrauch und trägt zur Verringerung von Emissionen bei. Besonders im Kontext von Hybridfahrzeugen kann ein FESS eine entscheidende Rolle beim Lastpunktverschieben, der Energierückgewinnung und der Verstärkung der Antriebsleistung (Boosting) spielen.

Die wichtigste Herausforderung bei der Optimierung von FESS für den mobilen Einsatz, insbesondere in Fahrzeugen, ist die Konstruktion der einzelnen Systemkomponenten. Drei Hauptkomponenten spielen eine zentrale Rolle: das Gehäuse, die Lager und der Rotor. Diese müssen in Kombination so gestaltet werden, dass sie eine möglichst hohe Effizienz und Lebensdauer bieten. Die praxisorientierte Untersuchung dieser Komponenten in verschiedenen Fallstudien zeigt, dass jede Komponente spezifische technische Anforderungen erfüllt, die durch empirische Studien gestützt werden.

Besondere Aufmerksamkeit gilt der Optimierung des Gehäuses, da dieses die kinetische Energie des Rotors aufnehmen und gleichzeitig Stabilität sowie Langlebigkeit gewährleisten muss. Lager müssen so entwickelt werden, dass sie die hohen Drehzahlen, die während des Betriebs auftreten, sicher und reibungsarm handhaben. Die Rotoren selbst, als Kernstück eines Flywheel-Systems, müssen nicht nur physikalischen Anforderungen gerecht werden, sondern auch hinsichtlich Gewicht und Materialwahl optimiert sein, um maximale Energieeffizienz zu erzielen.

Neben den Komponenten ist es jedoch auch entscheidend, die Gesamtwirkung eines FESS im Zusammenspiel mit anderen Fahrzeugkomponenten zu betrachten. Die Wechselwirkungen zwischen den Subsystemen – also dem Flywheel und den anderen Antriebseinheiten wie dem elektrischen Traktionsmotor und der Leistungselektronik – müssen genau untersucht und optimiert werden. Eine enge Zusammenarbeit der verschiedenen Subsysteme gewährleistet, dass das gesamte System effizient arbeitet und gleichzeitig die Betriebskosten minimiert werden.

Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Flywheel-Energiespeichersystemen für mobile Anwendungen ist die Anpassung an verschiedene geografische und infrastrukturelle Bedingungen. FESS-Systeme müssen so konzipiert werden, dass sie in unterschiedlichen Ländern und Regionen mit unterschiedlichen Straßen- und Verkehrsbedingungen effektiv arbeiten. Dabei spielt auch die Art der Fahrzeugnutzung eine entscheidende Rolle – während ein Fahrzeug im Stadtverkehr andere Anforderungen an das Energiemanagement stellt als ein Nutzfahrzeug auf langen Autobahnstrecken, muss das Flywheel-Subsystem entsprechend angepasst werden.

Für die nachhaltige Weiterentwicklung von FESS ist es von zentraler Bedeutung, kontinuierlich die Energieanforderungen von Fahrzeugen zu analysieren und die Effizienzpotenziale auszuschöpfen. Während in der Vergangenheit häufig die Optimierung einzelner Komponenten im Fokus stand, wird heute zunehmend das gesamte System als Ganzes betrachtet. Nur durch die ganzheitliche Betrachtung und ständige Anpassung des gesamten FESS-Subsystems an die sich entwickelnden Anforderungen der Elektromobilität und Hybridtechnologien können die Effizienz und die Wirtschaftlichkeit von Fahrzeugen langfristig verbessert werden.

Wichtig ist, dass die Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet nicht nur technologische Fortschritte in Bezug auf das FESS-Design berücksichtigt, sondern auch wirtschaftliche und ökologische Aspekte mit einbezieht. Die Herausforderung besteht darin, Lösungen zu finden, die nicht nur die Leistung und Lebensdauer des Systems erhöhen, sondern gleichzeitig auch kosteneffizient sind und eine geringe Umweltbelastung aufweisen. Der Erfolg eines FESS-Systems hängt somit nicht nur von der Technik ab, sondern auch von seiner Marktakzeptanz und der Integration in die bestehende Infrastruktur der Automobilindustrie.

Wie der CMO-Rotor das Konzept des mobilen Flywheel-Energiespeichers revolutioniert

Die CMO-Rotor-Technologie bietet einen einzigartigen Ansatz zur Integration von Elektromaschinen und Energiespeichersystemen in kompakten mobilen Anwendungen. Die Grundlage dieses Konzepts ist die Idee eines "vollständig integrierten Designs", bei dem der Rotor der Maschine gleichzeitig als Schwungrad zur Energiespeicherung fungiert. Diese Kombination von Funktionen führt zu einer hohen volumetrischen Energiedichte, was insbesondere für den mobilen Einsatz von entscheidender Bedeutung ist.

Der CMO-Rotor, der aus einer Vielzahl dünner Metallbleche besteht, stellt eine bedeutende Weiterentwicklung dar, da er nicht nur die mechanischen Anforderungen des Schwungrads erfüllt, sondern auch die elektrischen Anforderungen der Maschine. Dieser Rotor hat eine Struktur, bei der die Metallbleche durch eine elektrisch isolierende Vollflächenverklebung zusammengehalten werden. Diese Konstruktion minimiert die Verluste durch Wirbelströme, die bei hoher Drehzahl in der Metallstruktur des Rotors entstehen könnten.

Ein Schlüsselaspekt des CMO-Rotors ist die Wahl des Materials. Für den CMO-Rotor wurde Vacodur S Plus verwendet, ein hochfestes Material, das mit einer Zugfestigkeit von 800 N/mm² und einer Dichte von etwa 8,12 kg/dm³ hervorragende mechanische Eigenschaften bietet. Es ermöglicht eine optimale Energieumwandlung und -speicherung bei sehr hohen Drehzahlen. Der Rotor selbst erreicht eine Drehzahl von bis zu 60.000 U/min, was eine enorme Energieaufnahme und -abgabe ermöglicht.

Ein bedeutendes Problem bei der Konstruktion eines solchen Systems ist die Balance und das Verhalten unter extremen Zentrifugalkräften. Durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit entstehen starke Kräfte, die das Material des Rotors stark beanspruchen. Der CMO-Rotor wurde daher mit einer sehr präzisen Balance ausgestattet, die durch das Abtragen von Material an den Endplatten des Rotors erreicht wird. Dies minimiert Vibrationen und gewährleistet einen stabilen Betrieb über die gesamte Lebensdauer des Systems.

Ein weiterer wichtiger Aspekt, der in der Konstruktion des CMO-Rotors berücksichtigt wird, sind die sogenannten "Leerlaufverluste". Diese entstehen durch die Elektrifizierung des Systems und die Notwendigkeit, dass der Rotor bei hoher Drehzahl möglichst geringe Energieverluste aufweist. Der CMO-Rotor verwendet daher keine permanent erregten Maschinenkomponenten, sondern setzt auf eine schaltbare oder synchrone Reluktanzmaschine. Diese Maschinenart reduziert die Leerlaufverluste und verbessert die Gesamtenergieeffizienz des Systems.

Die Prüfung des Burstverhaltens eines solchen Rotors, also das Verhalten unter extremen Bedingungen, wie etwa einem plötzlichen Ausfall oder einer Überdrehzahl, ist ebenfalls ein kritischer Punkt. In der Praxis wurde der CMO-Rotor jedoch aufgrund von Zeit- und Budgetrestriktionen nicht unter realen Burst-Bedingungen getestet. Ähnliche Rotoren, wie der Dynastore-Rotor von Compact Dynamics, haben jedoch gezeigt, dass ein Versagen des Systems in der Regel zu einem kontrollierten Zerfall führt, bei dem keine größeren, gefährlichen Fragmente entstehen. Beim CMO-Rotor ist dieser Effekt aufgrund des fehlenden Schaftes und der speziellen Konstruktion noch unkritischer, da die Komponenten der Maschine vollständig integriert sind und das System keine lose rotierenden Teile enthält.

Die Wahl des richtigen Materials und Designs ist für den Erfolg eines solchen Systems entscheidend. Während Materialien wie Kobalt-Eisen-Legierungen aufgrund ihrer hohen magnetischen Sättigung und Flussdichte theoretisch für den Einsatz in Elektromaschinen vorteilhaft sind, haben sie auch mechanische Einschränkungen, wenn es um die Fähigkeit geht, hohen Zentrifugalkräften standzuhalten. Aus diesem Grund wurde für den CMO-Rotor ein spezielles Material gewählt, das eine hohe mechanische Festigkeit bei gleichzeitig guter magnetischer Leistung bietet.

Es ist zu verstehen, dass die Entwicklung solcher Systeme mit der Notwendigkeit einhergeht, das richtige Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Anforderungen wie mechanischer Festigkeit, magnetischer Effizienz und thermischer Stabilität zu finden. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Systeme bei extremen Betriebsbedingungen eine hohe Zuverlässigkeit bieten müssen, da Ausfälle in mobilen Anwendungen schwerwiegende Folgen haben könnten.

Wie die Auswahl von Lagern und ihre Eigenschaften die Lebensdauer von Flywheel Energy Storage Systemen beeinflussen

Die Resonanzfrequenzmessung während des Betriebs wurde zu Beginn des Projekts durchgeführt und ergab die folgenden Ergebnisse: Die grundlegende Eignung von aktiven Lagern, die mit Piezo-Aktoren und Rückkopplungssteuerung geführt werden, konnte prinzipiell nachgewiesen werden. Dabei zeigte sich jedoch, dass die industriell verfügbaren Piezo-Aktoren nur für kleine Kräfte geeignet sind. Dies bedeutet, dass sie eine hohe Balancequalität des Schwungrads erfordern. Darüber hinaus sind die notwendigen Verschiebungen sehr klein, was bedeutet, dass die Exzentrizität des Systems ebenfalls minimal gehalten werden muss. Besonders hervorzuheben ist, dass für eine aktive Dämpfung oder Kontrolle der hohen Lagerreaktionskräfte, die für Flywheel Energy Storage Systeme im Bereich von 0,1–5 kWh relevant sind, leistungsstarke Ladeverstärker erforderlich sind. Diese verursachen hohe Kosten und signifikante elektrische Verluste. Die Kosten eines Lagergestells, das aus Piezo-Stapeln, Verstärkern, Kraftmessungen und einem Steuerungssystem besteht, belaufen sich auf etwa 1500 Euro – und das sogar bei geringen zulässigen Lagerkräften von weniger als 300 N. Angesichts der hohen Sensibilität der Piezo-Stapel gegenüber Zug- und Biegespannungen ist eine Vorspannung durch ein Federpaket sowie eine sorgfältige Handhabung unumgänglich. Diese Erkenntnisse werfen Fragen auf, ob Piezo-basierte aktive Lagersysteme für kommerzielle Flywheel Energy Storage Systeme in Fahrzeugen geeignet sind. Insbesondere die mechanische Empfindlichkeit des Systems stellt einen erheblichen Nachteil dar, der nur unter Laborbedingungen akzeptabel ist.

Die Untersuchung passiver elastischer Lagergestelle erfolgte in zwei Phasen. Zunächst wurde eine quasistatische Charakterisierung durchgeführt, bei der eine Kraft-Verschiebungs-Kennlinie aufgezeichnet wurde. Die Ergebnisse dieser Messungen bestätigten, dass elastische Lagergestelle eine signifikante Entlastung für das System bieten können. Während die "starren" Lagergestelle eine Messresilienz von 18,9 N/μm zeigten, erreichte das Lagergestell mit zwei O-Ringen nur 1,6 N/μm, und das mit drei O-Ringen lag bei 2,4 N/μm. Solche Werte sind deutlich geringer als die für ein Rolllager relevanten Steifigkeiten, die im Bereich von mehreren hundert Kilonewton pro μm liegen.

Diese elastischen Lagergestelle haben sich auch unter dynamischen Bedingungen als vorteilhaft erwiesen. Die Prüfstände wurden auf verschiedene Drehzahlen gebracht, um das Verhalten der Lager zu testen. Ein deutlicher Unterschied zeigte sich, als der Rotor des Systems über die Resonanzfrequenz hinaus beschleunigt wurde: Mit elastischen Lagern konnte eine Radialkraftreduzierung von 63 % im Vergleich zu starren Lagergestellen erreicht werden. Diese reduzierte Belastung hat nicht nur Auswirkungen auf die Lebensdauer des Systems, sondern führt auch zu einer erheblichen Steigerung der Lebensdauer der Lager – um das zwanzigfache.

Abschließend ist es von Bedeutung, dass die Wahl des Lagersystems und die entsprechenden Materialien eine direkte Auswirkung auf die Effizienz und Lebensdauer von Flywheel Energy Storage Systemen haben. Die Wahl zwischen aktiven piezoelektrischen Lösungen und passiven elastischen Systemen hängt sowohl von den spezifischen Anforderungen an das System als auch von den Kosten- und Lebensdauerüberlegungen ab. Insbesondere die Kostenreduzierung und die Robustheit von passiven Lösungen bieten Potenziale für eine breitere Anwendung solcher Systeme, vor allem im industriellen Maßstab.

Wie funktioniert die Speicherung und Übertragung von kinetischer Energie in Fahrzeugen durch Schwungrad-Energiespeichersysteme?

Schwungrad-Energiespeichersysteme (FESS) stellen eine vielversprechende Technologie zur Rückgewinnung und Speicherung kinetischer Energie in Fahrzeugen dar, die insbesondere in städtischen Umfeldern genutzt werden könnte, um die Effizienz von Fahrzeugen zu erhöhen und den Energieverbrauch zu senken. Die Grundlage eines FESS ist die Speicherung von kinetischer Energie in einem Schwungrad, das über verschiedene Methoden an die Antriebsräder des Fahrzeugs übertragen werden kann. Die gängigsten Methoden sind dabei mechanische und elektrische Übertragungen. Obwohl theoretisch auch andere Technologien wie komprimierte Luftturbinen oder hydraulische Motoren in Betracht gezogen werden könnten, sind mechanische und elektrische Konzepte aufgrund ihrer Effizienz am weitesten verbreitet.

Ein Beispiel für die Anwendung eines rein mechanischen Schwungrad-Energiespeichersystems ist das Forschungsprojekt „HEuV“ an der Technischen Universität Graz, bei dem das Schwungrad im Rad eines Fahrzeugs integriert wurde, um die Bremsenergie in städtischen Umgebungen zurückzugewinnen. In dieser Ausführung wird die kinetische Energie des Fahrzeugs während des Bremsvorgangs durch das Schwungrad gespeichert, indem es über ein CVT mit dem Antriebsstrang des Fahrzeugs gekoppelt wird. Diese Lösung bietet den Vorteil einer hohen Energieeffizienz, stößt jedoch an ihre Grenzen, wenn es darum geht, die notwendige Drehzahlumsetzung zu realisieren, ohne dass es zu hohen mechanischen Verlusten kommt.

Ein weiterer Meilenstein in der Entwicklung von Schwungrad-Energiespeichern ist der VW T2 Flywheel Hybrid, ein Fahrzeug, das in den 1970er Jahren von der RWTH Aachen entwickelt wurde. Bei diesem Konzept wird die mechanische Energie des Schwungrads mit einem elektrischen Antrieb kombiniert, um die Effizienz des Fahrzeugantriebs zu maximieren. Das Fahrzeug erlebte in realen Verkehrstests eine signifikante Reduktion des Kraftstoffverbrauchs, insbesondere im Stadtverkehr. Das hybride Antriebssystem des VW T2 setzte auf eine Kraftaufteilung, die später in Fahrzeugen wie dem Toyota Prius weiterentwickelt wurde.

Die Bedeutung von Schwungrad-Energiespeichern in Fahrzeugen liegt in ihrer Fähigkeit, überschüssige Energie effizient zu speichern und bei Bedarf wieder bereitzustellen. Dies hilft nicht nur, die Energieeffizienz von Fahrzeugen zu verbessern, sondern bietet auch Potenzial für eine Reduktion der Emissionen, insbesondere wenn das Schwungrad-System in Verbindung mit einem Hybridantrieb verwendet wird. In den letzten Jahren hat sich die Forschung und Entwicklung von Schwungrad-Energiespeichersystemen weiter intensiviert, um die bestehenden Herausforderungen, wie die Synchronisierung von Drehzahlen und die Minimierung mechanischer Verluste, zu überwinden.