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LTS-Flywheel als 12h-Energiespeicher: Neue Ansätze zur Erhöhung der wirtschaftlich nutzbaren Speicherzeit und Sicherheit
Entwickelt werden die Grundlagen für ein Long Term Storage (LTS)-Flywheel zur dezentralen Zwischenspeicherung von elektrischer Energie (z.B. aus Windkraft- oder PV-Anlagen), mit wesentlich höherer Speicherzeit (Ziel: 12h) und Betriebssicherheit bei geringen Systemkosten. Dieses Projekt stellt die Basis für einen weiteren Schritt Richtung Plus-Energie-Haus dar.
Title and Synopsis
Within this research project the fundamentals for a Long Term Storage (LTS)-flywheel for decentralized storage of electrical energy (e.g. from wind or PV power plants), with a significant increase in storage time (goal: 12 hours) and safety, featuring low system costs. Therefore, the LTS-Flywheel is an essential contribution to the building of the future.
Beschreibung
Status
laufend
Kurzfassung
Ausgangssituation/Motivation
Flywheels stellen eine ökologisch, ökonomisch und sozial nachhaltige Technologie zur dezentralen Energiespeicherung dar. Sie weisen gegenüber anderen Speichertechnologien, beispielsweise Akkumulatoren, eine wesentlich längere Lebensdauer (über 25 Jahre), Wartungsfreiheit und unbedenkliche, leicht verfügbare Werkstoffe auf. Bisher verfügbare Flywheels sind beschränkt auf eine kurzfristige Speicherung der Energie im Bereich weniger Minuten.
Inhalte und Zielsetzungen
Die technologische Herausforderung im Rahmen dieses Forschungsprojekts ist, die Grundlagen für einen Innovationssprung - Long Term Storage-Flywheel - zu entwickeln. Ziel ist es, eine wesentliche Erhöhung der Speicherzeit: 12 Stunden bei 80 % Ladewirkungsgrad. Zusätzlich werden eine hohe Betriebssicherheit und geringe Systemkosten als Projektziele definiert. Dieses LTS-Flywheel soll die dezentrale Zwischenspeicherung von elektrischer Energie, beispielsweise aus hauseigenen Photovoltaikanlagen, ermöglichen. Es stellt damit einen wesentlichen Beitrag zur Schaffung der technologischen Basis für das Gebäude der Zukunft, insbesondere dem Plus-Energie-Haus dar.
Methodische Vorgehensweise
Zur Erreichung der Forschungsziele sind folgende Schwerpunkte geplant:
- Forschungsschwerpunkt - vollparametrisches Gesamtsimulationsmodell
Entwicklung eines vollparametrischen Gesamtsimulationsmodells zur Optimierung eines Flywheels hinsichtlich eines frei definierbaren Gütefunktionals: Definition aller zur Optimierung erforderlichen Parameter, Erfassung aller Kopplungen, Modellierung aller Komponenten als MATLAB-Simulink Simulationsmodelle optimiert hinsichtlich geringstem Rechenaufwand.
- Forschungsschwerpunkt Lagerung
Erforschung der Grundlagen für eine magnetische Lagerung mit wesentlich höherer Energieeffizienz als bisherige Magnetlagersysteme und hoher Betriebssicherheit - kaskadiertes Hybridmagnetlagersystem mit hoher Betriebssicherheit zur radialen und axialen Stabilisierung: Permanentmagnetlager zur Aufbringung statischer Lagerkräfte, Hocheffizienz-AMB (Active Magnetic Bearing) für minimalen Energieverbrauch im Regelbetrieb mit volladaptiver Regelung, im Bedarfsfall zuschaltendes Hochleistungs-AMB für Anlauf, Abfangen externer Störkräfte (z.B. Erdbeben) oder Notlauf, redundantes Hochleistungs-AMB-System für den Fall eines Stromnetzzusammenbruchs oder das Auftreten einer Fehlfunktion des Hocheffizienz/Hochleistungs-AMBs.
- Forschungsschwerpunkt Rotor
Entwicklung der Grundlagen für eine optimale Auslegung eines Rotors hinsichtlich hoher Energiespeicherfähigkeit, geringer erforderlicher Regeleingriffe in der Lagerung, Integration aller erforderlichen Lager- und Motor/Generator-Komponenten sowie bester Werkstoffausnutzung (Reißlänge, E-Modul, innere Dämpfung, etc.) unter Betrachtung des Rotoraufbaus (Eigenfrequenzen, Werkstoffkombinationen, Wickel- bzw. Laminierungstechnik, Material- und Herstellungskosten, erzielbare Wuchtgüte, etc.)
- Forschungsschwerpunkt - Exemplarische Optimierung als 12h-Speicher für Photovoltaikanlagen und experimentelle Validierung der Forschungsergebnisse
Exemplarische Optimierung des Gesamtsystems als LTS-Flywheel mit 12h-Speicherdauer für Photovoltaikanlagen mittels MATLAB-Simulink und PSpice Co-Simulation des Gesamtsystems. Validierung der Forschungsergebnisse mit Hilfe eines laut dem Optimierungsergebnis konstruierten und gefertigten Messaufbaus. Untersuchung der Gesamtverlustleistung bei diversen Betriebszuständen (Drehzahl- und Lastmomentbereich, Verhalten bei plötzlich erforderlichen hohen Lagerkräften, sowie bei eingebrachten Bauteilfehlern oder bei Netzausfall).
Erwartete Ergebnisse
Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit dienen als Basis für eine kooperative Technologieentwicklung mit einem Industriepartner oder eine Firmengründung.
Projektbeteiligte
Projektleiter
Dipl.-Ing. Dr.techn. Alexander Schulz
Technische Universität Wien, Institut für Mechanik und Mechatronik
Kontaktadresse
Technische Universität Wien, Institut für Mechanik und Mechatronik
Abteilung 4: Messtechnik und Aktorik
Dipl.-Ing. Dr.techn. Alexander Schulz
Wiedner Hauptstrasse 8-10/E325
A-1040 Wien, Österreich
Tel.: +43 (1) 58801 - 30313
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E-Mail: alexander.schulz@tuwien.ac.at
