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Elektrischer Speicher
BMWi
Schwungmassenspeicher 12.4.2017

Die Abbildung zeigt den Teststand für das Supraleiterlager während der Inbetriebnahme.
© Babcock Noell GmbH

Schneller Leistungsspeicher mit hoher Zyklenzahl

Schwungmassenspeicher, sogenannte Flywheels, können als Kurzzeit-Zwischenspeicher für regenerative Energieerzeugungsanlagen helfen, das Stromnetz stabil zu halten. Sie nehmen bei gutem Wirkungsgrad hohe Leistungen auf oder geben sie ab – und sind dabei außerordentlich zyklenfest. Im Projekt ENERSPHERE arbeiten Wissenschaftler an einem Flywheel-Rotor mit einer supraleitenden Lagerung. Das macht ihn außerordentlich eigensicher und robust.

Projektstatus Kurz vor Fertigstellung
Typische Anlagengröße Energie [MWh] einige kWh bis einige 10 kWh
Typische Anlagengröße Leistung [MW] 0,5 bis 1
Energiedichte volumetrisch [Wh/l] 80 (jeweils bezogen auf die Schwungmasse)
Energiedichte gravimetrisch [Wh/kg] 50
Leistungsdichte volumetrisch [W/l] 9.000
Leistungsdichte gravimetrisch [W/kg] 6.000
Wirkungsgrad AC/AC soll später gemessen werden
Speicherverlust [1/d] soll später gemessen werden
Zyklenfestigkeit (80 % Entladetiefe) erwartet >200.000
Brauchbarkeitsdauer der Anlage (1 Zyklus/Tag) 20 bis 40 Jahre
Typische Entladezeit Minuten
Ansprechzeit bei Bereitstellung der Energie Einige ms
Typische Zeit zwischen Ein- und Auslagerung Minuten bis Stunden
Anwendungsfelder Alle Anwendungen, in denen mit hoher Zyklenzahl und hoher Leistung schwankende Erzeugung oder Last ausgeglichen werden soll.
Beispiele Durch den Wechselrichter ist auch Blindleistungskompensation möglich.
Projektlaufzeit April 2014 bis September 2017

Die Projektpartner entwickeln einen ersten Demonstrator für Schwungmassenspeicher mit supraleitendem Lager. Referenzanwendung für diese Entwicklung ist der Einsatz als Energiespeicher in Kombination mit regenerativen Energieerzeugern, beispielsweise Photovoltaik(PV)-Anlagen. Der Speicher kompensiert Abweichungen zwischen Wettervorhersagen und tatsächlich erzeugter Energie. Zusätzlich erbringt er Systemdienstleistungen, wie z. B. Sekundenreserve, Blindleistungsbereitstellung zur Spannungshaltung und aktive Filterung von Harmonischen. Aus dieser Referenzanwendung leiten die Forscher ihre Zielvorgaben ab: Der Speicher soll zwischen 250 und 500 kW leisten. Damit der Speicher kurzfristige, wetterbedingte Leistungsschwankungen von PV-Anlagen kompensieren kann, muss er einen Energieinhalt von mindestens 3 kWh haben, angestrebt werden 6 kWh.

Die Entwicklungs- und Designarbeiten für die Komponenten und den Gesamtaufbau des Flywheels und der Wechselrichter sind weitestgehend abgeschlossen. Wo nötig, haben die Wissenschaftler Testaufbauten oder Modelle erstellt, um Auslegung und Design abzusichern. Sie bauen derzeit zwei Flywheel-Systeme als Demonstrator auf. Die Tests beginnen Anfang 2017.

  • Die Abbildung zeigt den Teststand für das Supraleiterlager während der Inbetriebnahme. © Babcock Noell GmbH
  • Schematische Darstellung der Netzeinbindung, beispielsweise parallel zu Photovoltaik und Batteriespeichern. © Babcock Noell GmbH
  • Zu sehen ist der Stator des Motors bzw. Generators. © IMAB, TU Braunschweig

Langzeitstabil und verlustarm

Das Flywheel bietet eine sehr hohe Leistungsdichte. Der besondere Vorteil ist aber, dass sich die Speicherkapazität weder mit der Zyklenzahl noch mit der Einsatzdauer ändert. Im Vergleich zu elektrochemischen Speichern benötigt Flywheels zudem keine Klimatisierung. Dadurch ist das Speicherkonzept vor allem im Kurzzeitbereich von Minuten höchst attraktiv. Die im Projekt entwickelten Supraleiter-Lager arbeiten berührungslos und wartungsfrei. Das Lager ist außerdem eigenstabil und benötigt keinerlei aktive Regelung.

Neben der innovativen Lagerung des Flywheel-Rotors optimieren die Wissenschaftler auch die weiteren Komponenten wie der Faserverbundrotor, der Motor-Generator und die Wechselrichter auf die spezifischen Anforderungen hin. Trotz des Einsatzes von Supraleitung bei Temperaturen von etwa minus 200 Grad Celsius, benötigt die Kühlung der Lager nur eine sehr geringe Leistung. Die hauptsächlichen Verluste entstehen, wie bei anderen Speicherkonzepten auch, in den Wechselrichtern der MW-Klasse, die typisch um wenige Prozent der Leistung betragen.

Teilvorhaben

Entwicklung der supraleitenden Lager und der Schwungmasse:

Das Arbeitspaket umfasst Auslegung und Erstellung des Supraleiterlagers, des elektrodynamischen Dämpfers und der Aufbau des gesamten Rotors. Aufgrund der weichen Lagerung des Rotors gestaltet sich die Rotordynamik sehr unterschiedlich zu klassischen Lagern: Der Arbeitsbereich des Rotors befindet sich im sogenannten überkritischen Bereich.

Energiewandlung:

Im Flywheel wird eine neuartige, elektrisch geregelte Permanentmagnet-Synchronmaschine als Motor bzw. Generator eingesetzt. Die Maschine ist vollständig in das Flywheel integriert. Im Projekt werden zur Aus- und Einkopplung der Energie je ein Antriebs- und ein Netzwechselrichter aus kommerziellen Komponenten aufgebaut.

Containment und Kryosystem:

Zur Reduktion von Gasreibung und zur thermischen Isolierung des kryogenen Lagers ist der Flywheel-Rotor in einem evakuierten Behälter untergebracht, der gleichzeitig als Sicherheitsbehälter gegen mechanische Schäden dient. Zur Kühlung der Lager werden langlebige und wartungsfreie Kryokühler eingesetzt.

Systemintegration:

Dieses Paket beinhaltet die Steuer- und Regelungstechnik der Komponenten sowie die Schnittstellen zum Stromnetz. Die Systeme sollen unter realistischen Bedingungen getestet werden, wie sie vom Verteilnetz bzw. Einspeiser der regenerativen Erzeugung gefordert werden.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

5. Juli 2017
Thermische Energiespeicher

11. Juli 2017
Intersolar North America

22. August 2017
Intersolar South America

» Alle Termine

Infobox

Hochdynamische Schwungmassenspeicher für Industrie- und Netzanwendungen (PDF, 2,1 MB)

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.