Wir haben uns in letzter Zeit so sehr auf chemische Speichersysteme konzentriert, dass einige von uns andere alte, scheinbar effizientere, mechanische Batterien vergessen.
Eine solche Batterie ist das Schwungrad. In den letzten 50 Jahren wurden mehrere erfolgreiche Experimente durchgeführt, und die Anwendungen des Schwungrads reichten von der Funktion als unterbrechungsfreie Stromversorgung für ein Krankenhaus bis hin zum Anfahren eines ganzen Zuges, der nur durch seine Kraft auf Reisegeschwindigkeit gebracht werden konnte.
Wie funktioniert eine mechanische Batterie? Haben Sie jemals Ihr Fahrrad repariert und, während es auf dem Kopf stand, die Pedale gedreht, so dass das Rad auf eine hohe Drehzahl kam? Wenn ja, haben Sie vielleicht festgestellt, dass Sie eine Kraft auf das Rad ausüben, wenn Sie versuchen, es anzuhalten. Was hat das zu bedeuten? In der Drehbewegung des Rades ist Energie gespeichert, Energie, die durch Reibung (und möglicherweise durch Wärme) verloren geht.
Schlaue Köpfe kamen auf die Idee, diese Rotationsenergie eines Schwungrads zu nutzen und sie zu etwas Nützlichem zu machen. Das ist allerdings eine uralte Technologie, über die schon vor Jahrhunderten geschrieben wurde.
So entwickelten die Wissenschaftler Stahlrohre, setzten sie auf Magnetlager (die Verbindung des Rohrs mit dem Stator erfolgte über ein Magnetfeld, um die Reibung zu verringern) und drehten das Ding auf bis zu 50.000 Umdrehungen pro Minute. Bei Bedarf nutzten sie diese Rotationskraft zur Stromerzeugung (auf klassische Weise) und verringerten die Geschwindigkeit, indem sie ihr Energie entzogen. Hat das nicht schon Ihre Augenbraue hochgezogen? Nun, Sie denken vielleicht, dass ein Schwungrad schnell zum Stillstand kommt, aber die Zahlen zeigen, dass die typischen Energiekapazitäten von 3 kWh bis 133 kWh reichen, mit einer Speichereffizienz von bis zu 90 %.
In den 1950er Jahren wurden experimentelle Busse gebaut, die „Gyrobusse“ genannt wurden und in Yverdon, Schweiz, eingesetzt wurden. Auch Prototypen von Autos wurden nach diesem Prinzip gebaut. Neue Materialien, wie z. B. Kohlefasern, machen sie noch brauchbarer und leistungsfähiger. Je stärker das Material des Schwungrads ist, desto höher ist die Drehgeschwindigkeit und die Energie, die es speichern kann. Das ist die einzige ernsthafte Einschränkung und Gefahr von Schwungrädern. Es kann in Stücke brechen, wenn es zu schnell gedreht wird.
Mechanische Batterien sind auch zeitbeständig. Der ECE-Forscher Dr. Mark Flynn von der University of Texas in Austin hat ein Schwungradsystem entwickelt, das 20 Jahre lang ununterbrochen genutzt werden kann.
„Flynns Konstruktion fängt die Bremsenergie auf und nutzt sie für den nächsten Hub. Noch wichtiger ist jedoch, dass das zusätzliche Schwungrad-Energiespeichersystem den Spitzenstrombedarf senkt und damit Energie in den Stillstandszeiten spart. Feldtests in China haben gezeigt, dass der Kraftstoffverbrauch um 38 % gesenkt werden konnte, wenn die Betreiber ein für den reduzierten Leistungsbedarf geeignetes Aggregat verwendeten und eine mechanische Batterie hinzufügten, wobei die NOx- und PM-Emissionen erheblich reduziert wurden.
Flynns Schwungrad-Motorsteuerung ersetzt auch die Industriebatterien, die in unternehmenskritischen Rechenzentren und Krankenhäusern eingesetzt werden. „Industriebatterien sind anfangs billiger als ein Schwungrad, aber wenn man die Wartung und die Tatsache berücksichtigt, dass man für mehr Ladung bezahlen muss, als man braucht, um einen häufigen Batteriewechsel zu vermeiden, kann eine schwungradbasierte Lösung erheblich billiger sein“, sagt Flynn. „Ein VYCON-Schwungrad hat eine Lebensdauer von 20 Jahren und beseitigt das Problem, was mit 200 großen, giftigen Blei-Säure-Batterien geschehen soll.“
Krankenhäuser und Daten-Backup-Zentren können sich keine Stromausfälle leisten. Leben und Notfallwiederherstellung von Unternehmen hängen von einem ununterbrochenen Energiefluss ab. Ein typischer Stromausfall ist sehr kurz, und die meisten Krankenhäuser und Datenzentren haben Backup-Dieselgeneratoren, was bedeutet, dass der zusätzliche Energiespeicher einer Industriebatterie nie vollständig genutzt wird. Die meisten Ausfälle liegen im Rahmen der Möglichkeiten eines Schwungrads, aber wenn der Ausfall andauert, absorbiert das Schwungrad schädliche Leistungsabweichungen und schaltet dann sanft auf den Generator um – und erfüllt damit die Notstromvorschriften, die vorschreiben, dass Stromaggregate in der Lage sein müssen, die Last innerhalb von 10 Sekunden zu übernehmen. Mechanische Batterien haben auch eine höhere Toleranz gegenüber schnellen Zyklen.“
Die Verfügbarkeit von Schwungrädern gibt uns eine Alternative zu chemischen Batterien und den Anstoß, diese interessante Technologie weiter zu entwickeln. Ich könnte zum Beispiel ein Schwungrad in der Tasche verwenden, um den Akku meines Laptops aufzuladen, der gerade fertig geworden ist. Die Möglichkeit, diese Dinger mobil zu machen, um sie in Elektroautos oder anderen Anwendungen einzusetzen, wurde getestet, und es wurde festgestellt, dass es besonderer Maßnahmen bedarf, um die Stabilität des Autos in Kurven nicht zu beeinträchtigen. Darüber werde ich in einem zukünftigen Artikel schreiben.