Sofortenergie - Vakuum steigert Effizienz von Schwungrädern

Sofortenergie - Vakuum steigert Effizienz von Schwungrädern

Das Schwungrad speichert Bewegungsenergie und gibt diese ohne Verzögerung wieder ab – ideal, wenn in kürzester Zeit große Energiemengen benötigt werden. Mit Vakuum steigt die Effizienz der Technologie.
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Jedes Kind kennt das physikalische Prinzip: Das Spielzeugauto, das man zwei-dreimal anschiebt, bevor man es los- und summend davonfahren lässt, wird von einem Schwungrad angetrieben. Mit dem Anschieben versetzt die Kinderhand eine kleine Metallscheibe, die mit den Rädern verbunden ist, in schnelle Drehung. Die Rotationsenergie von wenigen Gramm Blech reicht aus, um kinderzimmerlange Rennen zu inszenieren.

Vakuum optimiert Laufverhalten

Das Schwungrad ist aber keineswegs nur ein Spielzeug. Moderne Anwendungen sind unter anderem die Überbrückung von Netzschwankungen und die Zwischenspeicherung von Bremsenergie. Um die Schwungrad-Technologie effizient zu nutzen, setzt man häufig auf Vakuum. Denn je höher die Zahl der Umdrehungen, je schneller die Umfanggeschwindigkeit, desto größer wird der Einfluss von Luftwiderstand und -verwirbelung. Diese mindern nicht nur die Leistung des Rotationsspeichers in erheblichem Maß, indem sie ihn abbremsen. Sie können moderne Kunststoff-Schwungräder durch die Bildung von Reibungshitze sogar zerstören. Das wird verhindert, wenn das Rad in einem gekapselten Gehäuse unter Hochvakuum und ohne Luftwiderstand rotiert. Damit wird auch der unvermeidliche Energieverlust im Leerlauf minimiert und die Effizienz des Schwungrads gesteigert.

Um die Reibungsverluste gering zu halten, werden zudem immer öfter magnetische Lager statt herkömmlicher Kugellager für die Rotationsachse verwendet. Dabei schwebt die Radachse in einem Magnetfeld und dreht ohne Reibung.

Tempo zählt

Das Schwungrad speichert die Energie in bewegter Masse. Deshalb bestehen herkömmliche Schwungräder meist aus Metall und sind ziemlich schwer. Der begrenzende Faktor ist die sogenannte Umfangsgeschwindigkeit – das Drehtempo am äußeren Rand des Rades. Mit der Drehzahl steigt auch die Fliehkraft, das Material gerät irgendwann an seine Belastungsgrenze und droht zu bersten. Der Trend geht deshalb in Richtung hochfester Kohlefaser-Materialien für Schwungräder, denn eine große Masse ist gar nicht unbedingt nötig.

Der Energieinhalt einer rotierenden Masse nimmt nämlich mit dem Quadrat der Drehgeschwindigkeit zu. Das bedeutet, dass sich das Energiespeichervermögen durch schnellere Rotation effektiver steigern lässt als mit schwereren oder größeren Scheiben. Faserverstärkte Kunststoffe sind leicht und halten dank ihrer Festigkeit auch extrem schnelle Rotation aus – bis zu 100.000 Umdrehungen pro Minute liegen im Bereich des Möglichen.

Schwungradspeicher in Vakuumkammer im Porsche 918 RSR | 'porsche 918 rsr' by cmonville, used under CC BY 2.0

Altbewährte Technologie

Das Prinzip des Schwungrads als Direktspeicher für Bewegungsenergie wird in vielfältigen Anwendungen eingesetzt. In der antiken Töpferscheibe dient es ebenso als Antrieb wie in der Dampfmaschine der industriellen Revolution oder im modernen Rennwagen. Die Regeln der FIA erlauben dort den Einsatz von Drehmassenspeichern, die beim Bremsen aufgeladen und beim Beschleunigen wieder entladen werden. In Le Mans haben 2012 zwei Audi R18 e-tron quattro mit Schwungradspeicher beim 24-Stunden-Rennen sogar die ersten beiden Plätze belegt.

Meistens werden Schwungräder heute aber als Antrieb für Generatoren zur Überbrückung von Netzschwankungen eingesetzt. 97 Prozent aller Netzstörungen dauern weniger als drei Sekunden – viel zu kurz, um ein dieselgetriebenes Notstromaggregat auf die benötigte Drehzahl zu bringen. Die Energie des Schwungradspeichers steht dagegen in Millisekunden zur Verfügung. Sie gleicht die kurzen Netzschwankungen aus und dient zur Überbrückung, bis bei einer längeren Störung das Notstromgerät in Gang gekommen ist.

Busch liefert und wartet Vakuumtechnologie für Rotationsspeicher in unterschiedlichen Anwendungen.


Hohe Leistung für Fusionsversuche

Die hohe Leistungsdichte von Schwungradspeichern wird auch gezielt zum schnellen Abruf großer Energiemengen genutzt, zum Beispiel für das Fusionsexperiment ASDEX Upgrade im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching. Dort wird ein 400 Tonnen schweres Schwungrad auf 3.000 Umdrehungen pro Minute beschleunigt. Danach liefert es 10 Sekunden lang eine Leistung von 150 MW zum Aufheizen des Plasmas.

Dreifache Schallgeschwindigkeit

Ein Kohlefaser-Schwungrad, das für den Motorsport entwickelt wurde, rotiert bei 30 Zentimeter Durchmesser mit 60.000 Umdrehungen. So erreicht es an seinem Außenrand dreifache Schallgeschwindigkeit. Das Schwungrad rotiert im Vakuum in einer versiegelten Kammer, die Kraftübertragung erfolgt mit Hilfe einer Magnetschaltung.


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