DE19543435A1 - Energiespeicher mit einem rotierenden Element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher mit einem rotierenden Element.

Der Energieverbrauch durch Wirtschaft, Industrie, private Haushalte usw. ist insbesondere im Verlaufe eines Tages nicht konstant.

Bisher wird dieses Problem im großen Maßstab dadurch gelöst, daß sogenannte Spitzenlastkraftwerke benutzt werden, die nur zu den Zeiten Energie, insbesondere elektrische Energie produzieren, zu denen ein Spitzenbedarf besteht. Pumpspeicherwerke werden z. B. in Spitzenzeiten dazu benutzt, Strom zu erzeugen, während sie in Zeiten von geringem Strombedarf im umgekehrten Verfahren Strom verbrauchen und das Wasser wieder in den höher gelegenen Speicherraum hochpumpen. Insgesamt wird dabei potentielle Energie in elektrische Energie umgewandelt und umgekehrt.

Energie wird schon derzeit und erst recht in Zukunft vermehrt durch Solaranlagen und Windkraftanlagen gewonnen, die dezentral auch durch kleinere Betreiber, wie private Haushalte oder Kleinbetriebe benutzt werden können. Die Solaranlagen haben aber bekanntlich den Nachteil, daß sie in der Dunkelheit nicht funktionieren, bei bedecktem Himmel ist die Energieausbeute geringer. Windkraftanlagen funktionieren nur, wenn ausreichend starker Wind vorhanden ist.

Private Haushalte benötigen aber in der Regel die insbesondere elektrische Energie, meist in der Dunkelheit.

Dies führt dazu, daß Methoden und Anlagen entwickelt wurden und werden, mit denen die durch die verschiedenen Energieerzeuger erzeugte Energie bis zu der Zeit gespeichert werden kann, zu der sie benötigt wird.

Als Energiespeicher kommen chemische Systeme, z. B. Batte­ rien, thermische Systeme, z. B. Warmwassertanks, sowie mechani­ sche Systeme, z. B. Pumpspeicherwerke und Schwungräder in Frage.

Schwungräder sind dabei die ältesten und bekanntesten Energiespeicher, die überall da eingesetzt werden, wo eine ungleichmäßige Energiezufuhr in eine möglichst gleichmäßige Energieabgabe gewünscht ist, wie z. B. bei Dampfmaschinen, Explosionsmotoren usw. Die Speicherung der Energie ist dabei kurzzeitig, in den meisten Fällen während einiger Umdrehungen des Schwungrades.

Soll die mechanische Energie mit Hilfe von Schwungräder länger gespeichert werden, so sind die Reibungen der Lager ent­ scheidend. Wälzlager oder Luftlagerungen sind nicht ausreichend reibungsarm. Die besten Aussichten bestehen für Magnetlagerun­ gen, insbesondere supraleitenden magnetischen Lagern.

Aus KfK-Nachrichten, Jahrgang 28, 3/94, Seiten 209-214 ist ein Prototyp eines Schwungradenergiespeichers mit passiven su­ praleitenden magnetischen Lagern bekannt, mit dem wissenschaft­ liche Untersuchungen durchgeführt wurden. Ein Motor/Generator zur Energieein-/auskopplung ist über eine Antriebswelle mit einer Schwungradscheibe verbunden, in der ein Ringmagnet an­ geordnet ist. Diesem Ringmagneten gegenüber ist ein von einem Kyrostaten gekühlter Supraleiter angeordnet, der den Ringmagne­ ten und damit die Schwungradscheibe lagert. Die Schwungradschei­ be bildet hier das rotierende Element.

Mit dem für die Untersuchung benutzten Prototypen des Schwungradenergiespeichers wurden bisher Energieinhalte von 3,8 Wh bei Maximalgeschwindigkeit erreicht. Das Schwungrad weist einen Durchmesser von 190 mm, eine Dicke von 30 mm und ein Ge­ wicht von 1,2 kg auf. Die maximal zulässige Drehzahl beträgt 10.000 rpm. Durch die immer noch vorhandene Lagerreibung wurde die Schwungradscheibe in etwa 9 Stunden von 5.500 rpm auf 0 abgebremst.

Aufgrund der Physik der Schwungradscheiben ist es bekannt, daß eine größere Energiemenge gespeichert werden kann,

• - wenn der Durchmesser der Schwungradscheibe größer ist,
• - wenn die Ausgangs-Drehzahl größer ist,
• - wenn die Masse größer ist.

Für die Versorgung z. B. eines Einfamilienhauses ist etwa die Speicherkapazität von 10 kWh, also dem weit als 2.500-fachen des bekannten Prototypen, bei einer Speicherdauer von 12 Stunden anzustreben, während für Industriebetriebe Speicherkapazitäten von 100 kWh aufwärts interessant sind.

Würde man den bekannten Prototypen entsprechend vergrößern, so entstehen sehr große und sehr kostenaufwendige Schwungrad­ energiespeicher.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen neuen gattungsgemäßen Energiespeicher zu schaffen, der vom Gesamtvolu­ men her weitaus kleiner und auch kostengünstiger gebaut werden kann, als ein großer Schwungradenergiespeicher.

Diese Aufgabe wird durch den Energiespeicher gemäß Anspruch 1 gelöst.

Dabei wird von der Überlegung ausgegangen, daß es für die optimale Energiespeicherung wichtig ist, die Schwungmasse soweit als möglich von der Drehachse entfernt mit möglichst hoher Um­ fangsgeschwindigkeit rotieren zu lassen. Die Masse im unmittel­ baren Bereich der Achse trägt zur Energiespeicherung nicht we­ sentlich bei.

Dazu sollte ein Schwungring aus einem Material gewählt wer­ den, welches ein günstiges Verhältnis zwischen Zugfestigkeit zum Gewicht aufweist. Aus Sicherheitsgründen eignen sich hierfür Kunststoffe.

Bei einem Schwungring befindet sich die Masse nur mehr im Ring selbst, während das Innere des Ringes frei ist.

Ein solcher Schwungring kann nun in einem Ringkanal gelagert sein. In seinem Innern sind keine für die Funktion des Energie­ speichers notwendigen Teile vorhanden, so daß er z. B. um ein bestehendes Gebäude herum geführt sein kann und dadurch weitaus weniger Raum beansprucht. Der Schwungring kann jedoch auch insbesondere vor dem Bau eines Gebäudes unterhalb desselben im Erdreich installiert werden. In Falle eines Materialfehlers oder von Ermüdungserscheinungen ist die Gebäudeintegrität dadurch nichtgefährdet. Bei späterer Installation können solche Schwung­ ringe z. B. im Garten oder unter Firmenparkplätzen unterbracht sein.

Für die Speicherung von etwa 10 kwh reicht bei entsprechen­ der Anfangsdrehzahl ein Durchmesser des Schwungringes von etwa 5 m aus. Mit einem Schwungring von mindestens 20 m im Durch­ messer können Energiemengen bis 100 kWh gespeichert werden.

Vorteilhafterweise wird der Schwungring in einem ringförmi­ gen Gehäuse geführt, das in einem Ringkanal angeordnet ist. Dieses kann insgesamt oder nur auf einem kurzen Abschnitt oben eine abnehmbaren Deckel aufweisen, um gegebenenfalls Wartungs­ maßnahmen durchführen zu können.

Wenngleich dies nicht selbstverständlich ist, da der Schwungring auch flexibel sein könnte, ist gemäß einer bevor­ zugten Ausführungsform der Schwungring und auch der Ringkanal und das Gehäuse kreisringförmig ausgebildet.

Um die Reibung möglichst gering zu halten, ist der Schwung­ ring in dem Gehäuse magnetisch gelagert. Magnetische Lagerungen sind vielfältig bekannt, so durch den obengenannten bekannten Schwungradenergiespeicher oder durch die sogenannte Magnetschwe­ bebahn. Darüber hinaus kann das den Schwungring aufnehmende Gehäuse gasdicht ausgebildet sein und in seinem Innern ein Un­ terdruck aufweisen.

Vorteilhafterweise ist der Primärteil des Motors bzw. Gene­ rators in und an dem Gehäuse angeordnet und damit ortsfest, während der Sekundärteil in dem bzw. an dem Schwungring angeord­ net ist bzw. durch den Schwungring selbst gebildet wird. Der Sekundärteil wird dabei durch einen Ringmagneten gebildet. Hat dieser eine ausreichend große Masse, so kann dieser Ringmagnet selbst den Schwungring bilden.

Claims (8)

1. Energiespeicher mit einem rotierenden Element, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Element ein Schwungring ist.

2. Energiespeicher nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwungring in einem in einem Ringkanal angeordneten ring­ förmigen Gehäuse geführt ist.

3. Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwungring kreisringförmig ausgebildet ist.

4. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwungring in dem Gehäuse ma­ gnetisch gelagert ist.

5. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärteil des Motors bzw. Gene­ rators in und an dem Gehäuse angeordnet ist, während der Se­ kundärteil in dem bzw. an dem Schwungring angeordnet ist bzw. durch den Schwungring selbst gebildet wird.

6. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärteil durch einen Ring­ magneten gebildet wird.

7. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er im Erdreich angeordnet ist.

8. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Schwungring aufnehmende Gehäuse gasdicht ausgebildet ist und in seinem Innern ein Unter­ druck besteht.