Die traditionellen elektrischen Maschinen werden in der Regel durch axialen Luftstrom gekühlt, was jedoch nicht auf Schwungrad-Energiespeichersysteme (FESS) zutrifft. Aufgrund der evakuierten Atmosphäre in einem FESS erfolgt die Kühlung nicht durch Luftstrom, sondern ausschließlich durch Wärmestrahlung und -leitung. Diese Besonderheit macht es notwendig, dass die thermische Situation eines FESS bereits im Entwurfsprozess berücksichtigt wird. Besonders zwei Eigenschaften von Stahlmaterialien sind hier von Vorteil: Zum einen die hohe Temperaturbeständigkeit im Vergleich zu Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFRP) oder anderen Materialien mit Epoxidharzmatrix und zum anderen die gute Wärmeleitfähigkeit von Stahl.

Die Stärken von Stahl im Vergleich zu Verbundmaterialien, wie sie in Abschnitt 7.2.1.2 erörtert wurden, sind bei der hier behandelten Mehrscheiben-Stahlrotortechnologie voll ausgeschöpft. Die Festigkeit von Metallen bleibt bis zu höheren Temperaturbereichen erhalten, was in Abbildung 7.52 zu erkennen ist. Diese Abbildung zeigt die Zugfestigkeit verschiedener Metalle bei steigender Temperatur. Stahl, insbesondere NiCrMo-Stahl, besitzt eine deutlich höhere Temperaturbeständigkeit als andere Materialien und behält seine Festigkeit auch bei höheren Temperaturen.

Ein weiterer wichtiger Vorteil des Stahls liegt in seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit. Während Kunststoffteile rund um den Rotor einer elektrischen Maschine als thermische Isolatoren wirken, leiten die massiven Stahlplatten eines rotierenden Mehrscheibenrotors die Wärme weitaus besser. Diese Stahlplatten fungieren nicht nur als Wärmeleiter, sondern auch als thermische "Wärmesenken", die temporär hohe Temperaturen ausgleichen können. Dies ist besonders bei kurzen, aber intensiven Belastungen von Bedeutung, bei denen sich Wärme sehr schnell aufbauen kann.

Die thermische Belastung und ihre Auswirkungen auf das System sind jedoch nicht der einzige Aspekt, der beim Design eines FESS berücksichtigt werden muss. Die Verwendung von Stahl und die damit verbundene Wärmeleitung tragen dazu bei, Temperaturspitzen zu stabilisieren. Dies ist besonders wichtig, da das System, anders als herkömmliche elektrische Maschinen, keinen Luftstrom als Kühlmittel nutzen kann.

Ein weiterer zentraler Aspekt, der bei der Entwicklung und dem Betrieb eines FESS nicht zu vernachlässigen ist, ist die Kostenreduzierung. Die Rotoren für ein solches System können mit konventionellen Fertigungsverfahren wie Drehen, Fräsen und Bohren hergestellt werden. Der einzige Ausnahmefall bei einem Prototyp war der aktive Teil der elektrischen Maschine, der drahtgeätzt wurde. Für eine Serienproduktion oder bei größeren Stückzahlen wären jedoch kostengünstigere Methoden wie das Stanzen von Bauteilen durchaus möglich. Diese Effizienz bei der Fertigung ermöglicht es, dass der Materialpreis für den Rotor theoretisch bei etwa 150 Euro liegen könnte. Bei Stahlarten wie dem Böhler W400 VMR, dessen Preis bei 11 Euro pro Kilogramm liegt, oder dem 42CrMo4, das mit etwa 1,79 Euro pro Kilogramm zu Buche schlägt, ist dies besonders interessant.

Besonders im Hinblick auf die Serienfertigung ist es von Bedeutung, dass der verwendete Stahl sowohl hohe Festigkeit als auch gute Wärmeleitfähigkeit mitbringt. Dies ermöglicht nicht nur eine thermische Stabilisierung des Systems, sondern senkt auch die Produktionskosten und steigert die Effizienz des gesamten Systems. Durch den Einsatz dieser Werkstoffe können erhebliche Einsparungen realisiert werden, ohne dabei die thermische Leistungsfähigkeit des Systems zu beeinträchtigen.

Insgesamt zeigt sich, dass die Wahl des richtigen Materials und der richtigen Fertigungstechnik für den Rotor eines FESS entscheidend ist. Dabei müssen nicht nur mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Wärmebeständigkeit berücksichtigt werden, sondern auch die Kostenstruktur des Systems. Die Kombination aus Stahl und effizienten Fertigungsprozessen kann dazu beitragen, die Leistung und Kosteneffizienz eines FESS zu optimieren und das System für den praktischen Einsatz in verschiedenen Bereichen zu prädestinieren.

Endtext.

Warum Empirische Untersuchungen zur Aufprallfestigkeit von Flywheel Energy Storage Systemen notwendig sind

Die aktuellen Ansätze zur Berechnung der Aufprallfestigkeit von Flywheel Energy Storage Systemen (FESS) liefern nur unzureichende Ergebnisse, da wichtige Faktoren wie das plastische Verhalten der Schutzringe und die genaue Geometrie der Rotorfragmente vernachlässigt werden. Das betrifft insbesondere die Berechnung der Deformationsenergie, die nur einen Bruchteil der gesamten Energie eines Schwungradflywheels ausmacht. Diese Diskrepanz ist auf das unzureichende Verständnis des Verhaltens der Rotorfragmente und der Wechselwirkungen mit dem Schutzgehäuse zurückzuführen. Besonders auffällig ist hierbei, dass die meisten vorhandenen Berechnungsverfahren auf konservativen Annahmen basieren und in der Praxis oft nicht zu einer Optimierung der Schutzgehäuse im Sinne eines leichten Designs führen.

Empirische Untersuchungen und Tests sind für die Entwicklung robuster und sicherer FESS notwendig, um die tatsächliche Leistungsfähigkeit der Gehäusestrukturen besser zu verstehen und fundierte Designrichtlinien zu entwickeln. In den letzten Jahrzehnten wurden bereits einige Studien durchgeführt, die das Verhalten von FESS-Containments untersuchten, jedoch konzentrierten sich diese meist auf das Versagensverhalten der Rotoren aus Faserverbundwerkstoffen und deren Bruchmechanismen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse über die Partikelkinematik sind zwar hilfreich, aber die daraus abgeleiteten Berechnungsmethoden zur Dimensionierung des Gehäuses bieten nur ungenaue und konservative Näherungen.

Besonders die Tests zur Aufprallfestigkeit von Faserverbundrotoren haben gezeigt, dass beim Bruch dieser Rotoren eine homogene Druckbelastung auf die Innenwand des Gehäuses angenommen wird. Dies führt zu einer relativ gleichmäßigen Belastung des Schutzgehäuses ohne lokale Überschreitung der Festigkeitsgrenze durch scharfe, hochenergetische Fragmente. Es hat sich jedoch auch gezeigt, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen oder aufgrund von Fertigungsfehlern Faserverbundrotoren auch spontan versagen können. Ein ungelöstes Problem stellt zudem die Bildung feiner Kompositmaterialpartikel wie etwa Kohlenstoffstaub im Fall eines Rotorversagens dar, was ein Sicherheitsrisiko darstellt.

Eine detaillierte Analyse der vorhandenen Studien zu Burst-Tests für Flywheel-Energiespeicher hat gezeigt, dass die veröffentlichte Zahl an Testergebnissen nicht ausreicht, um eine statistisch signifikante qualitative Analyse durchzuführen. Die meisten Versuche, sogenannte Spin-Tests oder Überschalltests, wurden in überdimensionierten, bunkerartigen Testgruben durchgeführt, die mit extrem hohen Sicherheitsfaktoren ausgestattet waren. Nur wenige Tests zu leichtgewichtigen Gehäusen für mobile Anwendungen wurden durchgeführt, wobei in einigen dieser Versuche der Rotor nicht einmal brach.

Ein Beispiel für eine neuere Forschungsinitiative ist das 2015 ins Leben gerufene Projekt „FlySafe“, das vom britischen Forschungsrat mit mehr als 764.000 Pfund unterstützt wurde. Ziel des Projekts war es, potenzielle Versagensmechanismen moderner Hochgeschwindigkeits-Komposit-Schneckenräder zu untersuchen. Die Ergebnisse dieses Projekts, das in Zusammenarbeit mit Unternehmen wie Ricardo Energy, PUNCH Flybrid und GKN Hybrid Power sowie Universitäten wie Imperial College London und University of Brighton durchgeführt wurde, werden wahrscheinlich nicht umfassend veröffentlicht, da viele der gesammelten Daten vertraulich sind.

Die bisherigen Untersuchungen zum Versagen von Schwungrädern und deren Aufprallfestigkeit zeigen also deutlich, dass die aktuellen Designrichtlinien und Berechnungsmethoden in Bezug auf Schutzgehäuse nach wie vor auf Annahmen beruhen, die in der Praxis nicht immer zutreffen. Um eine zuverlässige Sicherheitsbewertung und Optimierung des Gehäusedesigns zu ermöglichen, müssen mehr empirische Untersuchungen und praktische Tests durchgeführt werden. Diese sollten insbesondere die Interaktion zwischen Rotorfragmente und Gehäuse berücksichtigen, um die realen Belastungsbedingungen und das Verhalten der Schutzgehäuse zu verstehen.

Ein weiteres wichtiges Thema, das bislang oft zu kurz gekommen ist, ist die Untersuchung innovativer Materialien für die Optimierung von Schutzgehäusen. Materialien wie Metall-Schaumstoffe, Wabenstrukturen oder hybride Verbundmaterialien bieten großes Potenzial für die Entwicklung von leichten, aber dennoch robusten Gehäusen. Diese innovativen Materialien sind jedoch bislang in der Praxis nur selten zur Anwendung gekommen oder wurden nicht ausreichend beschrieben.

Es ist klar, dass, obwohl Finite-Elemente-Simulationen in bestimmten Szenarien zufriedenstellende Ergebnisse liefern, diese nur dann aussagekräftig sind, wenn die Geometrie und Position der Fragmente sowie die Impulsdauer genau bekannt sind. Informationen, die in technischen Berichten über Burst-Containments zu finden sind, beziehen sich häufig nur auf eine sehr geringe Zahl von Tests und haben daher keine statistische Bedeutung.

Darüber hinaus ist die Forschung zur Verbindung von Fragmentenergie und Energieaufnahmefähigkeit des Gehäuses bislang nicht abgeschlossen, und es existiert noch keine klaren Erkenntnisse zur Fragmentgeometrie und deren Sicherheitsreserven im Hinblick auf die Durchdringung des Gehäuses, insbesondere bei Stahl-Schwungrädern in FESS-Anwendungen.

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