Mit rund 230 Terawattstunden ist die Industrie für knapp die Hälfte des gesamten elektrischen Energiebedarfs in Deutschland verantwortlich. Maßnahmen zur Reduktion lohnen sich daher insbesondere bei industriellen Prozessen. Im produzierenden Gewerbe etwa machen die Energiekosten immerhin bis zu 10 % der gesamten Produktionskosten aus – in energieintensiven Industrien sogar bis zu 40 %. Nach wesentlichen politischen Weichenstellungen wie dem Pariser Klimaabkommen zielen Vorgaben und Richtlinien auf nationaler und internationaler Ebene darauf ab, das sich hier bietende Einsparpotenzial zu nutzen und auch die CO2-Emissionen zu verringern. Zu den Vorgaben für Unternehmen ge­hören daher unter anderem der Einsatz von Energiemanagementsystemen nach ISO 50001 nebst dem Nachweis ihrer Wirksamkeit in Form von Effizienzsteigerungen nach ISO 50003 sowie die Umsetzung von Ökodesign-Anforderungen für elektrische Antriebssysteme im Niederspannungsbereich nach der europäische Norm EN 50598.

Eine Möglichkeit, die Kosten für elektrische Energie deutlich zu senken, ist das gezielte Kappen von Lastspitzen. Doch damit nicht genug: Mit etwa 70 % entfällt der Großteil des industriellen Strombedarfs auf elektrische Antriebe und Motoren, die unter anderem Industrieroboter, Servopressen, CNC-Anlagen, Regal-bediengeräte, Aufzüge oder Kräne bewegen. Die meisten dieser Maschinen und Anlagen sind rekuperationsfähig und ermöglichen somit beim Abbremsen die Umwandlung der Bewegungsenergie in elektrische Energie. Da die Motoren in diesen Anwendungen permanent zwischen Abbremsen und Beschleunigung wechseln, müssen die Energiespeicher kurzfristig ein hohes Leistungsvermögen aufweisen. Bremsenergie kann daher nur von extrem zyklenfesten und leistungsstarken Energiespeichern genutzt werden.

Schwungradspeicher (engl. Flywheel Energy Storage Systems – kurz FESS) weisen die passenden Eigenschaften für diese Anwendungen auf. Die aus der Formel 1 auch als KERS bekannte Technik beruht auf elektromechanischen Kurzzeitspeichern, die nach dem Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses arbeiten und Energie in rotierenden Massen speichern. Sie bestehen aus einem integrierten Hochgeschwindigkeits-Elektromotor, der sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben wird. Durch die Rotation wird Energie kinetisch gespeichert, weshalb Schwungmassenspeicher auch als kinetische Batterie bezeichnet werden. Innerhalb von Millisekunden steht die volle Leistung typischerweise für etwa 30 Sekunden zur Verfügung. Je höher und je häufiger die Lastzyklen, desto effizienter lässt sich das  das System nutzen.

Vorteile der Schwungmassen-Technologie

Die Energierückgewinnung aus der Formel 1 lässt sich mit Gerotor HPS auch für elektrische Motoren in der Industrie nutzen.

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Dieses Prinzip hat das bayerische Start-up Gerotor mit dem Hochleistungsspeicher Gerotor HPS für industrielle Anwendungen optimiert. Der Energiespeicher ist als mechanisches Bauteil verschleiß- und wartungsarm, unterliegt keinem chemischen Alterungsprozess und lässt somit während seiner Lebensdauer von typischerweise 20 Jahren nahezu unendlich viele Lade- und Entladezyklen unabhängig von der Entladungstiefe zu. Der Wirkungsgrad liegt bei bis zu 95 %.

Ruheverluste, die durch Reibung an den Lagern und an den Schwungmassen entstehen, werden durch eine Vakuumkammer verringert, in der die Schwungmasse läuft. Zudem sind Schwungmassenspeicher weitestgehend unempfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen: Im Fall des HPS ist der Betrieb bei Temperaturen von –25 °C bis +60 °C möglich. Mittels smarter Algorithmen ist der Speicher darüber hinaus in der Lage, sich selbst im Hinblick auf ein Maximum an Energie-Effizienz zu optimieren: Als selbstlernender Speicher misst er für den effizienten Eigenbetrieb hochpräzise das Verhalten der zugrundeliegenden Anwendung. Diese Verhaltensdaten über Maschinen und Anlagen können anschließend – eine F­reigabe durch alle Beteiligten vorausgesetzt – für Energiemonitoring-Systeme im Rahmen von IIoT erfasst, vorverarbeitet und über OPC UA zur Verfügung gestellt werden.

Die Energiemenge eines Schwungradspeichers hängt von der Masse des Rotors und seiner Drehgeschwindigkeit ab. Schwungräder mit niedriger Drehzahl (low speed) setzen auf Masse, wobei die Energie sich mit der Masse verdoppelt. Die extrem hohe Rotationsgeschwindigkeit des Gerotor HPS von bis zu 60.000 Umdrehungen pro Minute ist besonders vorteilhaft für die speicherbare Energiemenge (kJ) und Leistung (kW). Ein schnelleres Schwungmassensystem kann also relativ kompakt ausfallen und trotzdem sehr hohe Leistung erzielen. Mit einem Durchmesser von 220 mm, einer Höhe von etwa 250 mm und einer Masse von rund 20 kg können entsprechende Einheiten direkt an den DC-Zwischenkreis der Anlage oder Maschine angekoppelt werden. Je nach den Anforderungen der Anwender ist die Speicherleistung beliebig skalierbar, indem mehrere der HPS-Einheiten mit einer Lade-/Entladeleistung von jeweils 50 kW Nennleistung und 60 kW Spitzenleistung sowie einem Energie-Inhalt von derzeit 135 bis 300 kJ parallel geschaltet oder für Anlagengruppen und ganze Werke in Power-Racks oder Power-Containern (AC) zusammengefasst werden.

Sauberer Strom ohne Unterbrechung

Der Energiespeicher Gerotor HPS ermöglicht die Rekuperation und senkt dadurch die aus dem Stromnetz bezogene Energie. Er kann hohe Leistungen in kurzer Zeit an Lasten abgeben und vermeidet damit auch Lastspitzen im Stromnetz des Energieversorgers.

© Gerotor

Mit diesen Eigenschaften eignet sich der beschriebene Schwungmassenspeicher für unterschiedliche Aufgaben. Grundsätzlich verbessert er durch die Kompensation von Oberwellen, Flicker und Blindleistung die Strom- und Netzqualität sowohl in internen Gleichstromnetzen als auch bei der Netzversorgung und verhindert negative Auswirkungen auf sensible Komponenten. Zudem kann sie bei Ausfällen des Stromnetzes als kurzfristige unterbrechungsfreie Stromversorgung für bis zu 15 Sekunden dienen. Da 97 % aller Stromausfälle im Bereich von bis zu 3 Sekunden liegen, reicht diese Überbrückungszeit in den meisten Fällen aus, um Anlagen in einen neutralen Arbeitsmodus zu überführen. In instabilen Stromnetzen sind damit kostenintensive Produktionsausfälle vermeidbar, was letztlich die Produktivität steigert.

Ein weiteres Anwendungsszenario ist der Einsatz für das Spitzenlastmanagement in volatilen industriellen Prozessen. Hier sind erhebliche Kostenreduktionen bei Anschlussleistung und Bereitstellung durch die Glättung von Lastspitzen und die Bereitstellung von Spitzenleistung erzielbar. Über die Lastspitzenkappung hinaus, bei der die Kostenreduktion beim Netzentgelt im Vordergrund steht, mindert der Energiespeicher die aus dem Netz aufgenommene Energie durch die Rekuperation von Bremsenergie. Dies verringert die Stromaufnahme mit der Folge, dass beim immer noch stark auf fossilen Energieträgern basierenden Strom-Mix der CO2-Ausstoß sinkt und Klimaziele somit schneller erreicht werden können.

Konkret können sich die Kosteneinsparungen durch das Spitzenlastmanagement mittels eines Gerotor HPS in mittelständischen Betrieben auf etwa 80 Euro pro Kilowatt Anschlussleistung summieren. Dazu kommen Verbrauchsreduktionen von durchschnittlich 15 bis 20 % durch die Rekuperation. Je nach Anwendung sind auch deutlich höhere Einsparungen von bis zu 30 % möglich, beispielsweise bei Produktionsmaschinen im Drei-Schicht-Betrieb, wie sie etwa in der Serienfertigung der Automobilindustrie verbreitet sind. Die Höhe der Investitionskosten hängt von der Anwendung ab und liegt typischerweise im mittleren bis höheren vierstelligen Euro-Bereich. Unter dem Strich rechnet sich die Anschaffung eines solchen Speichers innerhalb von ein bis drei Jahren – durch das Downsizing anderer Komponenten und die Senkung des Grundlastbezugs oft noch schneller.

Zusammenfassend lässt sich festhalten: Aufgrund ihrer Leistungs- und Energiedichte sowie ihrer Zyklenfestigkeit decken Schwungmassenspeicher die Anforderungen an ein aktives Energiemanagement in der Industrie dort ab, wo Batteriespeicher physikalisch ungeeignet sind.

Autor
Marcel Werner ist einer der Gründer von Gerotor.