Erhöhung der erzielbaren Speicherzeit von magnetisch gelagerten Schwungradspeichern

Abstract

Schwungradspeicher 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. Diese Arbeit entstand im Rahmen des Forschungsprojekts "LTS-Flywheel als 12h-Energiespeicher: Neue Ansätze zur Erhöhung der wirtschaftlich nutzbaren Speicherzeit und Sicherheit". Ziel war es, die Grundlagen für eine wesentliche Erhöhung der Speicherzeit von magnetisch gelagerten Schwungrädern, bei gleichzeitiger Erhöhung der Zuverlässigkeit, zu erarbeiten. Ein zentraler Punkt bestand in der Erarbeitung geeigneter Lagertopologien und einer energieeffizienten Regelung. Zur Simulation und Auslegung der elektromagnetischen Komponenten wurde ein spezieller "hybrider Modellierungsansatz" entwickelt, der die Berücksichtigung von Hysterese- und Wirbelstromeinflüssen bei verhältnismäßig niedrigem Rechenzeitaufwand ermöglicht. Zur Optimierung der Energieeffizienz des Schwungradspeichers, speziell in den Standby-Phasen, erfolgte zusätzlich zu einer ausführlichen Betrachtung der magnetischen Lagerung, die Erarbeitung der Grundlagen einer geeigneten Motortechnologie mit möglichst geringem Schleppmoment. Um die angestrebte Erhöhung der Energieeffizienz zu erreichen, war es erforderlich, in allen Bereichen anzusetzen. Zur Ansteuerung der Magnetlager und Motoren/Generatoren wurde ein hocheffizienter und robuster Konverter entwickelt. Ebenso erfolgte das Design der Signal- und Regelelektronik hinsichtlich möglichst geringem Energiebedarf. Zur Steigerung der Zuverlässigkeit wurde ein komplett durchgängiges, dreifach redundantes System entwickelt. Dieses besteht aus drei dezentral geregelten Redundanzgruppen, wobei jede anteilig axiale und radiale Lagerfunktion übernimmt sowie Motor/Generator Funktionalität aufweist. Durch die dezentrale Regelung kann auf eine Kommunikation zwischen den Gruppen verzichtet werden, wodurch die Zuverlässigkeit deutlich erhöht wird. Zur Validierung der im Forschungsprojekt angestrebten Ziele erfolgte die Konstruktion eines Schwungradspeicher-Messaufbaus, in welchem die gewonnen Erkenntnisse dieser Arbeit umgesetzt wurden.

Flywheels are an ecological, economical and social sustainable technology for decentralized energy storage. They offer longer life cycles (over 25 years), no requirement for maintenance and usage of harmless easily available material, compared to other storage technologies, as for example accumulators. Flywheels up to now are designed for short term storage in the region of minutes. This PhD thesis was created within the research project "LTS-Flywheel als 12h-Energiespeicher: Neue Ansätze zur Erhöhung der wirtschaftlich nutzbaren Speicherzeit und Sicherheit". The aim was to reach a significant increase of storage time while simultaneously increasing the reliability. A main part of this thesis is the development of appropriate bearing topologies and energy efficient control techniques. For simulation and dimensioning of the electromagnetic components a so called "hybrid modelling technique" was developed, which allows the consideration of hysteretic and eddy current effects, at relatively low computation effort. To optimize the flywheel energy efficiency, especially in the standby state, the basics of an appropriate motor technology with minimum drag torque are acquired, in addition to a detailed consideration of the magnetic bearings. It was necessary to work on all areas to achieve the desired increase in energy efficiency. A highly efficient and robust converter has been developed, to control the magnetic bearings and motors/generators. Similarly, the design of the signal and control electronics was carried out, in regard to the lowest possible energy consumption. To increase the reliability, a fully integrated triple redundant system was developed. This system includes three decentralized controlled redundancy groups, where each group performs proportionally axial-radial bearing and motor/generator functionality. Because of the decentralized control, the communication between the redundant groups can be dropped, so the reliability is significantly increased. To validate the research goals, a flywheel test setup was constructed, where the obtained results of this thesis have been implemented.