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Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Energiespeichers.
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Energiespeicher mit massebehafteten Schwungrädern zur Energiespeicherung sind seit langem bekannt. Typischerweise werden derartige Energiespeicher mit einem Schwungrad als Ultrakurzzeitenergiespeicher eingesetzt. So sind derartige Schwungradspeicher beispielsweise bekannt und üblich, um kurzzeitig sehr hohe elektrische Leistungen bereitzustellen. Die Schwungräder können über einen längeren Zeitraum mit moderater Leistung angetrieben werden. Werden diese dann schlagartig abgebremst, entsteht eine sehr große Energiemenge innerhalb sehr kurzer Zeit, welche für entsprechende Anwendungszwecke eingesetzt werden kann. Ein derartiger Energiespeicher mit Schwungrad ist beispielsweise zur Energieversorgung des Versuchsreaktors zur Kernfusion am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching aufgebaut. Alternative Anwendungen in kleinerem Maßstab sind beispielsweise unter dem Begriff KERS aus dem Bereich der Automobilindustrie bekannt, um Bremsenergie mechanisch zu speichern und bei der Beschleunigung wieder zur Verfügung zu stellen.
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All diese Schwungradspeicher haben dabei den Nachteil, dass diese für vergleichsweise große Abgabeleistungen und damit eine sehr schnelle Energieentnahme ausgelegt sind. Sie sind daher im Bereich der Ultrakurzzeitspeicher mit Speicherzyklen im Bereich von wenigen Sekunden oder Minuten einzuordnen. Der Bedarf an Ultrakurzspeichern ist dabei eher gering oder auf Spezialanwendungen, wie die oben genannten Beispiele, begrenzt. Durch die Aufnahme von immer mehr regenerativen und beispielsweise in Abhängigkeit von Sonne oder Wind fluktuierenden Energiequellen in Stromnetze entsteht hier jedoch ein hoher Bedarf an Energiespeichern mit längeren Zykluszeiten, welche Energie effizient über einen Zeitraum von mehreren Stunden oder Tagen speichern können. Solche Energiespeicher werden als Kurzzeitspeicher bezeichnet.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Energiespeicher mit einem Schwungrad dahingehend weiterzuentwickeln, dass dieser Energie über einen längeren Zeitraum speichern kann und bei vertretbaren Verlusten einen größeren Speicherzyklus als bisher ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Energiespeichers ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Energiespeichers ist im Anspruch 16 angegeben, vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Energiespeicher sieht ein massenbehaftetes Schwungrad vor. Dieses läuft in einem unter Unterdruck stehenden Raum, idealerweise einem evakuierten Raum, um eine zentrale Achse um. Die Lagerung ist dabei berührungslos als magnetische Lagerung ausgebildet. Ferner ist eine mit einem Stromnetz in Verbindung stehende elektrische Maschine, welche ihrerseits in Wirkverbindung mit dem Schwungrad steht, Teil des Energiespeichers. Diese Wirkverbindung ist dabei als magnetische Kopplung des Schwungrads mit einer Einrichtung zum Beschleunigen oder Abbremsen desselben ausgebildet.
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Dieser Aufbau mit einer Magnetlagerung, welche ein sehr verlustarmes Lager mit höchstem Wirkungsgrad ermöglicht, und der Einkopplung der Einrichtung zum Beschleunigen oder Abbremsen über eine magnetische Kopplung ermöglicht es, den Energiespeicher so aufzubauen, dass das Schwungrad selbst in dem unter Unterdruck stehenden Raum mit minimaler Reibung umläuft. Da hier keine Drehdurchführung einer Welle oder dergleichen notwendig ist, da sowohl die Lagerung als auch die Kopplung mit der Einrichtung zum Beschleunigen oder Abbremsen des Schwungrads magnetisch erfolgt, kann der Raum sehr dicht ausgebildet werden. Damit lässt sich sehr energieeffizient ein Unterdruck aufrechterhalten. Insbesondere ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Energiespeichers mit vertretbarem Energieaufwand ein Hochvakuum mit einem Absolutdruck von weniger als 0.01 mbar möglich. Damit lassen sich die Verluste bei der Speicherung der Energie auf ein absolutes Minimum reduzieren. Entsprechend große Zykluszeiten werden dadurch möglich.
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Das Schwungrad selbst ist dabei vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Die Form kann einem Zylinder, z. B. als Zylinderscheibe oder Zylinderstange oder insbesondere auch einem hohlen Zylinder, also einem Ring bzw. einer Zylinderbuchse entsprechen.
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Der Energiespeicher soll dabei vergleichsweise groß ausgebildet sein, um eine entsprechend hohe Speicherkapazität zu gewährleisten. Insbesondere soll das Schwungrad des Energiespeichers ein Gewicht von mehr als 50 t bei einem mittleren Durchmesser von mehr als 1,5 m aufweisen. Bei einem solchen Aufbau, beispielweise bei einem Innendurchmesser des Schwungrads in Form einer Zylinderbuchse von 2 m und einem Außendurchmesser von ca. 4 m ergibt sich beim Aufbau aus faserverstärktem Kunststoff und einer Masse von ca. 160 t eine Länge von ca. 11 m. Ein solches Schwungrad in einem unter Unterdruck stehenden Raum, welches über magnetische Lagerungen gelagert und über eine magnetische Kopplung mit einer Einrichtung zum Beschleunigen und Abbremsen verbunden ist, kann dann über einen sehr langen Zeitraum hinweg mit minimalen Verlusten Energie speichern.
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In einer besonders günstigen Ausgestaltung des Energiespeichers ist es dabei vorgesehen, dass die magnetische Kupplung in der elektrischen Maschine des Energiespeichers ausgebildet ist, wozu ein Rotor der elektrischen Maschine drehfest mit dem Schwungrad verbunden und in dem unter Unterdruck stehenden Raum angeordnet ist, und wozu ein Stator der elektrischen Maschine als die Einrichtung zum Beschleunigen und Abbremsen des Schwungrads ortsfest ausgebildet ist. Ein solcher Aufbau, bei welchem die Kopplung unmittelbar über die elektrische Maschine erfolgt, ist besonders einfach und effizient, da er außerhalb des unter Unterdruck beziehungsweise Vakuum stehenden Raums keinerlei bewegten mechanischen Elemente erfordert. Er kann so sehr energieeffizient arbeiten und kann die ohnehin vorhandene elektrische beziehungsweise magnetische Kopplung zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine unmittelbar zum Beschleunigen oder Abbremsen des Schwungrads durch einen motorischen oder generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine nutzen.
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In einer besonders günstigen Weiterbildung hiervon ist der Energiespeicher dabei so ausgebildet, dass der Stator zentral angeordnet und vom Rotor umgeben ist. Dieser Aufbau der elektrischen Maschine als sogenannter Außenläufer ist besonders effizient und lässt sich hinsichtlich des Bauraums kompakt realisieren. Dies gilt insbesondere wenn der Energiespeicher gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung so ausgebildet ist, dass der Stator zumindest teilweise von dem Schwungrad umgeben ist. Bei diesem sehr kompakten Aufbau wird also der Rotor innen am eigentlichen Schwungrad angebracht. Dies hat neben der platzsparenden Anordnung außerdem den Vorteil, dass der Rotor durch das Schwungrad selbst gegenüber Fliehkräften abgestützt wird. Im Bereich der zentralen Achse, lässt sich dann der Stator der elektrischen Maschine platzieren. Der Aufbau der elektrischen Maschine wäre beispielsweise bei den oben beschriebenen Dimensionen so, dass der mittlere Durchmesser der elektrischen Maschine zwischen 1,5 und 2 m liegt, die Höhe bei ca. 1,5 m. Die elektrische Maschine würde dann eine Nennleistung in der Größenordnung von ca. 2 bis 5 MW aufweisen.
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Die elektrische Maschine wäre dabei über einen Umrichter mit dem Stromnetz verbunden, um so je nach Anforderungsfall Energie einzuspeichern oder durch Abbremsen des Schwungrads aus diesem zu entnehmen. Da auch Umrichter heute mit sehr hohem Wirkungsgrad zu realisieren sind, stellt dieses Element in dem Energiespeicher keinen nennenswerten Nachteil hinsichtlich des Wirkungsgrads dar. Der Energiespeicher ist damit sehr effizient und kann in idealer Weise eine vergleichsweise hohe Energiemenge speichern, bei den oben beschriebenen Dimensionen beispielsweise ca. 10 MWh und kann diese über einen vergleichsweise langen Zeitraum mit einer moderaten mittleren Leistung von beispielsweise ca. 2 MW abgeben.
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Ein alternativer Aufbau des erfindungsgemäßen Energiespeichers sieht es dagegen vor, dass die magnetische Kopplung zwischen dem Schwungrad und einer Welle als Einrichtung zum Beschleunigen und Abbremsen des Schwungrads ausgebildet ist, wobei die Welle über ein hinsichtlich seiner übertragenen Leistung variabel regelbaren Getriebe mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Dieser alternative Aufbau des Energiespeichers sieht ebenfalls eine magnetische Kopplung zum Beschleunigen und Abbremsen des Schwungrads vor. Allerdings ist diese dann außerhalb des unter Unterdruck stehenden Raums, sodass keine Drehdurchführung mit entsprechender Abdichtung notwendig ist, mit einer Welle ausgebildet. Die Welle wird über das regelbare Getriebe mit der elektrischen Maschine verbunden.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee ist es dabei vorgesehen, dass die elektrische Maschine als direkt mit dem Stromnetz gekoppelte elektrische Maschine, insbesondere Synchronmaschine, ausgebildet ist. Der Aufbau spart damit den vergleichsweise aufwändigen und teuren Umrichter. Er nutzt das regelbare Getriebe, um die Drehzahl der aus dem Energiespeicher entnommenen Leistung beziehungsweise die Drehzahl der in den Energiespeicher eingespeicherten Leistung entsprechend anzupassen, sodass auf Seite der elektrischen Maschine, welche insbesondere als netzgekoppelte Synchronmaschine ausgebildet ist, immer dieselbe Konstante von der netzfrequenzabhängigen Drehzahl anliegt.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass das regelbare Getriebe wenigstens einen Leistungszweig aufweist, welcher über einen regelbaren hydrodynamischen Kreislauf verläuft. Ein solches Getriebe zur Drehzahlanpassung auf eine konstante Drehzahl ist beispielsweise aus dem Bereich der Windkraftanlagen bekannt und wird durch die deutsche Patentanmeldung
DE 103 14 757 B3 im Detail beschrieben. Der Aufbau des Energiespeichers in dieser Art ermöglicht so den Verzicht auf den Umrichter, der Energiespeicher kann unmittelbar über die elektrische Maschine ans Netz gekoppelt werden. Dies ist ein Vorteil hinsichtlich der Kosten für die Leistungselektronik und der erzielbaren Spannungsqualität. Ferner bietet der Aufbau die vorteilhafte Möglichkeit der Netzstützung im Fehlerfall.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Energiespeichers gelöst, bei welchem die Entnahme von Leistung so erfolgt, dass sich ein Verhältnis aus der nutzbaren Speicherkapazität zur mittleren Abgabeleistung ergibt, welches größer als 1, insbesondere größer als 1,5 ist.
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Dieses Betriebsverfahren für den erfindungsgemäßen Energiespeicher nutzt die Tatsache, dass dieser durch den oben beschriebenen Aufbau außerordentlich energieeffizient aufgebaut ist, um das Betriebsverfahren so anzupassen, dass die zur Verfügung stehende Speicherkapazität so genutzt wird, dass die mittlere Abgabeleistung auf einen vergleichsweise kleinen Wert im Verhältnis zur nutzbaren Speicherkapazität eingestellt wird. Dadurch ergibt sich eine Nutzung des eingespeicherten Energieinhalts über einen größeren Zeitraum. Der erfindungsgemäße Energiespeicher kann in diesem Betrieb also Zykluszeiten erreichen, welche ansonsten lediglich Pumpspeicherkraftwerken, Druckluftspeichern oder Batterien vorbehalten sind. Der energetisch hocheffiziente Aufbau ermöglicht es so, dass der erfindungsgemäße Energiespeicher von der typischen Anwendung als Ultrakurzzeitspeicher in eine Anwendung als sogenannter Kurzzeitspeicher rückt, bei welchem Zykluszeiten von einigen Stunden problemlos möglich sind.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es entsprechend vorgesehen, dass der Energiespeicher mit mittleren Zykluszeiten zwischen dem Einspeichern der Leistung und der abgeschlossenen Leistungsentnahme von mehr als zwei Stunden, insbesondere mehr als fünf Stunden, betrieben wird. Ein solcher Betrieb ermöglicht dann beispielsweise den Ausgleich von Fluktuationen in regenerativen Energien, beispielsweise einen Ausgleich von tagsüber anfallender Photovoltaikenergie, welche über den Energiespeicher eingespeichert und in der Dunkelheit wieder abgegeben werden kann. Aber auch zum Ausgleich von Leistungsschwankungen bei anderen fluktuierenden Energien, wie beispielsweise Windenergie oder dergleichen, lässt sich der erfindungsgemäße Energiespeicher ideal nutzen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Energiespeichers sowie vorteilhafte Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Energiespeicher in einer ersten Ausführungsform;
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2 eine Schnittdarstellung durch einige alternative Details eines erfindungsgemäßen Energiespeichers; und
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3 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Energiespeichers in einer weiteren Ausführungsform.
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In der Darstellung der 1 ist ein Energiespeicher 1 dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus einem Schwungrad 2, welches in der bevorzugten Form einer Zylinderbuchse ausgebildet sein kann und hier im Schnitt prinzipmäßig dargestellt ist. Dieses massenbehaftete Schwungrad 2 läuft in einem unter Unterdruck stehenden Raum 3, insbesondere einem unter Vakuum beziehungsweise Hochvakuum stehenden Raum, um eine Drehachse 4 um. Die Drehachse 4 kann wie hier angedeutet in Richtung der Schwerkraft g verlaufen. Man spricht in diesem Fall von einer „senkrechten Drehachse”. Alternativ dazu wäre auch eine sogenannte „waagrechte Drehachse”, also eine senkrecht zur Schwerkraft verlaufende Drehachse denkbar.
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Der evakuierte Raum 3 soll beispielsweise über eine hier nicht dargestellte Vakuumpumpe auf einen absoluten Druck von weniger als 0,01 mbar evakuiert sein. Das Schwungrad 2 selbst, welches in der Darstellung der 1 aus faserverstärktem, insbesondere kohlefaserverstärktem, Kunststoff ausgebildet sein soll, ist über magnetische Lagerungen 5, 6 gelagert. Die im Bild der 1 oben dargestellte magnetische Lagerung mit dem Bezugszeichen 5 soll als magnetische Radiallagerung 5 ausgebildet sein. Die in der Darstellung der 1 unten gezeigte magnetische Lagerung mit dem Bezugszeichen 5, 6 soll als kombinierte Radial-/Axiallagerung 5, 6 ausgebildet sein. Sie ist dabei in der Darstellung der 1 rein beispielhaft zu verstehen, da je nach der Dimension des Aufbaus eine solche Lagerung durch schräge Lagerungselemente konstruktiv gegebenenfalls schwer zu realisieren wäre.
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In der Darstellung der 2 ist in einem Ausschnitt eine weitere Möglichkeit zum Aufbau der Lagerung dargestellt. Der Ausschnitt der 2 zeigt dabei lediglich den unteren Teil des Energiespeichers 1. Die untere Lagerung, welche in der Darstellung der 1 als kombinierte Radial-/Axiallagerung 5, 6 ausgebildet war, ist hier aufgetrennt in ein Radiallager 5 und ein in Richtung der Schwerkraft g unterhalb des Schwungrads 2 angebrachtes Axiallager 6.
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Die magnetischen Lagerungen 5, 6 können dabei sowohl aktiv als auch passiv ausgebildet sein. Insbesondere sollen die magnetischen Lager 5, 6 so ausgebildet sein, dass sie sowohl aktive als auch passive Elemente umfassen. Durch den passiven Teil der magnetischen Lagerung 5, 6 wird dann beispielsweise die Tragfähigkeit des Schwungrads 2 und dessen grundsätzliche Lagerung sichergestellt. Über den aktiven Teil der magnetischen Lagerung 5, 6 wird die Lagerstabilität gewährleistet und es können dynamisch auftretende Schwankungen, Positionsabweichungen, Vibrationen und dergleichen aktiv ausgeregelt werden, da auf derartige „Störungen” mittels einer aktiv angesteuerten magnetischen Lagerung 5, 6 durch eine Regelung in an sich bekannter Art und Weise reagiert werden kann. Insgesamt ermöglicht eine solche magnetische Lagerung 5, 6 eine sehr verlustarme Lagerung des Schwungrads 2, sodass die Energie über die Trägheit des massenbehafteten Schwungrads 2 in dem Energiespeicher 1 über einen vergleichsweise langen Zeitraum mit minimalen Verlusten gespeichert werden kann.
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Der in 1 dargestellte Energiespeicher 1 weist nun außerdem eine elektrische Maschine 7 auf. Diese weist wiederum einen Rotor 8 und einen Stator 9 auf. Der Aufbau der elektrischen Maschine ist als sogenannter Außenläufer realisiert. Der Stator steht dabei im Inneren der elektrischen Maschine 7 fest und ist über die angedeuteten Leitungen 10 mit einem Umrichter 11 verbunden, welcher seinerseits wiederum mit einem elektrischen Stromnetz 12 beziehungsweise Versorgungsnetz verbunden ist. Der Aufbau kann je nach Anforderung in verschiedenen Stromnetzen 12 eingesetzt werden, beispielsweise in Mittelspannungsnetzen mit Spannungen in der Größenordnung von 5 bis 15 kV oder in sogenannten Hochleistungsnetzen im Mittelspannungsbereich, welche üblicherweise ein Spannungsniveau von 34 kV aufweisen.
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Bei dem Energiespeicher 1 in der Ausführungsform gemäß 1 wird nun die magnetische Kopplung, welche zwischen dem Rotor 8 und dem Stator 9 der elektrischen Maschine 7 ohnehin vorhanden ist, genutzt, um Energie in den Energiespeicher 1 einzuspeichern beziehungsweise aus diesem zu entnehmen. Kommt es im Bereich des elektrischen Stromnetzes 12 zu einem Energieüberschuss, dann kann über die elektrische Maschine 7 im motorischen Betrieb das Schwungrad 2 beschleunigt beziehungsweise weiter beschleunigt werden. Wird dagegen Leistung in dem Stromnetz 12 benötigt, dann wird das Schwungrad 2 über die elektrische Maschine 7 im generatorischen Betrieb abgebremst und über den Umrichter 11 die Leistung an das Stromnetz 12 abgegeben.
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Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel des Energiespeichers 1 soll nun so dimensioniert sein, dass dieses eine Höhe von ca. 11 m und einen inneren Durchmesser des Schwungrads 2 von ca. 2 m aufweist. Der Aufbau, bei welchem die elektrische Maschine dann in etwa 1,5 m hoch ist, ermöglicht so bei einem Gewicht des Schwungrads 2 von ca. 160 t eine nutzbare Speicherkapazität in der Größenordnung von 1 bis 15 MWh, insbesondere ca. 10 MWh. Typische Drehzahlen des Schwungrads 2 liegen dann bei ca. 1000 bis 8000 U/min, insbesondere im Fenster von ca. 2000 bis 5000 U/min. Wird der Energiespeicher 1 dann mit einer mittleren Abgabeleistung von ca. 2 MW betrieben, ergeben sich bei der nutzbaren Speicherkapazität von beispielsweise ca. 10 MWh Zykluszeiten von ca. 5 Stunden. Dies bedeutet, dass die einmal in den Energiespeicher 1 eingespeicherte Energie dort vergleichsweise lange verbleiben kann und über einen vergleichsweise langen Zeitraum wieder entnommen wird. Der Energiespeicher 1 in der hier dargestellten Ausführungsform ist damit ein sogenannter Kurzzeitspeicher, welcher die Speicherung von Energie im Bereich von mehreren Stunden bis hin zu einigen wenigen Tagen ermöglicht. Im Gegensatz dazu waren bisherige Schwungradspeicher typischerweise Ultrakurzzeitspeicher, welche die eingespeicherte Energie innerhalb einer sehr kurzen Zeit von wenigen Sekunden oder Minuten wieder zur Verfügung gestellt haben. Der Aufbau in der hier beschriebenen Art und Weise lässt sich jedoch so energieeffizient realisieren, dass auch die Speicherung über einen längeren Zeitraum hinweg energetisch und wirtschaftlich sinnvoll und möglich ist.
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In der Darstellung der 2 sind einige weitere Details als Ergänzungen beziehungsweise Alternativen zu der in 1 dargestellten Ausführung dargestellt. Oben wurde bereits auf die Alternative bei der magnetischen Lagerung 5, 6 eingegangen. Ein weiterer Unterschied besteht in dem Aufbau des Schwungrads 2 selbst. Wie erwähnt soll dieses in der Darstellung der 1 aus kohlefaserverstärktem Kunststoff ausgebildet sein. beim hohen Gewicht des Schwungrads 2 von ca. 160 t und den hohen Drehzahlen von typischerweise 2000 bis 5000 U/min ist dies günstig, da hierdurch die benötigten Festigkeiten gegenüber Fliehkräften erzielt werden können. In der Darstellung der 2 ist jedoch ein alternativer Aufbau des Schwungrads 2 dargestellt. Es besteht aus einem inneren Abschnitt 13 und einem äußeren zumindest den Mantel der Zylinderbuchse bildenden äußeren Abschnitt 14. Der innere Abschnitt 13 kann nun beispielsweise aus hochfestem Stahl aufgebaut sein, welcher ein höheres Gewicht und damit eine höhere Schwungmasse bei geringerer Baugröße gewährleistet. Um die auftretenden Kräfte aufgrund der Fliehkraft bei den gewünschten hohen Drehzahlen aufnehmen zu können, ist der äußere Abschnitt 14 wiederum aus kohlefaserverstärktem Kunststoff oder einem anderen mit geeigneten Fasern, beispielsweise Kevlarfasern, verstärktem Kunststoff ausgebildet. Dieses Material ist dann ausreichend stabil, um sich selbst und den inneren Abschnitt 13 aus dem anderen Material ausreichend gegenüber den Fliehkräften, welche auf das Schwungrad 2 einwirken können, abzustützen.
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Eine weitere Besonderheit ist in der Darstellung der 2 im Bereich der Drehachse 4 zu erkennen. Die Drehachse 4 ist analog zur Darstellung in 1 als strichpunktierte Linie eingezeichnet. Mit g bezeichnet ist außerdem die Richtung der Schwerkraft eingezeichnet. Diese ist als Strich-2-punktierte Linie dargestellt. In der Darstellung der 2 ist stark überhöht ein Winkel zwischen der Drehachse 4 und der Richtung der Schwerkraft g zu erkennen. Dieser Winkel, welcher idealweise einige Grad, insbesondere weniger als 10°, vorzugsweise sogar weniger als 5° beträgt, kann konstruktiv in dem Energiespeicher 1 vorgesehen werden, um eine Vorspannung auf die magnetischen Radiallager 5 zu erreichen. Diese Vorspannung ermöglicht eine Verbesserung der Lagerstabilität durch die magnetischen Radiallager 5.
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In der Darstellung der
3 ist eine alternative Ausführungsform des Energiespeichers
1 zu erkennen. Der Aufbau entspricht teilweise dem in
1 beschriebenen Aufbau, die entsprechenden Bauteile und Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auf den aus
1 bekannten und im Rahmen der dortigen Erläuterungen beschriebenen Aufbau wird daher nicht nochmals näher eingegangen. Der wesentliche Unterschied des in
3 dargestellten Aufbaus zu dem in
1 dargestellten Aufbau besteht nun darin, dass die magnetische Kopplung nicht in der elektrischen Maschine
7 ausgebildet ist, sondern unabhängig von dieser. Auf dem Schwungrad
2 sind ebenfalls innen erste magnetische Kopplungselemente
15 angebracht, welche ebenfalls in dem unter Vakuum stehenden Raum
3 liegen. Außerhalb dieses Raums
3 sind zweite magnetische Kopplungselemente
16 drehfest mit einer Welle
17 verbunden. Ohne eine – im Prinzip natürlich auch denkbare – Drehdurchführung der Welle
17 in den unter Vakuum stehenden Raum
3 ist so eine magnetische Kopplung zwischen der Welle
17 und dem Schwungrad
2 möglich, um das Schwungrad zu beschleunigen beziehungsweise abzubremsen. Die Welle
17 steht dann über ein optionales Vorschaltgetriebe
18 in der Drehzahl angepasst mit einem hinsichtlich seiner Leistung und Drehzahl variabel regelbaren Getriebe
19 in Verbindung. Dieses regelbare Getriebe
19 ist aus dem Bereich der Windenergie bestens bekannt und wird in der deutschen Patentschrift
DE 103 14 757 B3 näher beschrieben. Die Funktionalität ist nun die, dass ein Überlagerungsgetriebe
20 zur Leistungsverzweigung und -zusammenführung vorgesehen ist. Außerdem zeigt der Aufbau ein Planetengetriebe
21 sowie einen hydrodynamischen Kreislauf
22, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als hydrodynamischer Wandler ausgebildet sein soll. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist über die Pfeile die Leistungsrichtung bei der Entnahme von Energie aus dem Energiespeicher
1, also bei einem Antrieb der Welle
17 durch das Schwungrad
2, beispielhaft dargestellt. Die Leistung gelangt über einen zentralen Leistungszweig
23 zu dem hydrodynamischen Kreislauf
22. Im Fall des hier dargestellten Aufbaus mit einem hydrodynamischen Wandler wird die Pumpe des Wandlers über diesen Leistungszweig
23 angetrieben. Über ein Turbinenrad des Wandlers des hydrodynamischen Kreislaufs
22 wird Leistung über das Planetengetriebe
21 zurückgeführt und über das Überlagerungsgetriebe
22 mit der von der Welle
17 stammenden Leistung überlagert. Durch eine Beeinflussung des hydrodynamischen Kreislaufs
22, insbesondere der Leiträder des hier beispielhaft dargestellten Wandlers, lässt sich die zurückgeführte und dem Leistungszweig
23 überlagerte Leistung hinsichtlich ihrer Drehzahl beeinflussen, wodurch eine Regelung der Drehzahl am Abtrieb
24 des Getriebes
19 möglich wird. Dadurch kann als elektrische Maschine
7 unmittelbar mit diesem Abtrieb
24 gekoppelt eine Synchronmaschine eingesetzt werden, welche direkt mit dem Stromnetz
12 verbunden werden kann. Beim Einspeichern von Energie kehrt sich der Leistungsfluss entsprechend um.
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Der Aufbau des Energiespeichers 1 in der Darstellung der 3 funktioniert im Wesentlichen genauso, wie der in 1 ausführlich beschriebene Energiespeicher 1. Der einzige Unterschied besteht darin, dass durch die Möglichkeit, den Synchrongenerator 7 mit konstanter Drehzahl bei der Entnahme von Leistung anzutreiben, oder umgekehrt genauso mit konstanter Drehzahl zur Einspeicherung von Leistung anzutreiben, der Umrichter eingespart werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10314757 B3 [0015, 0033]
