Der Schwungradspeicher als "kinetische Batterie"
Die TU Graz untersucht die Eignung des "Flywheels" als Energiespeicher. Der Schwungradspeicher könnte dynamische Fahrzustände abdecken – und die Batterie könnte auf Energiedichte optimiert werden
- Gernot Goppelt
Hannover, 6. Juli 2012 – Volvo präsentierte eine ähnliche Idee im Frühjahr 2011: Ein Flywheel (oder Schwungradspeicher) wäre eine interessante Ergänzung für ein Hybridfahrzeug, weil es zwar nicht viel Energie aufnehmen, diese aber dafür sehr schnell speichern oder abgegeben kann. Diese Eigenschaften haben auch Ultrakondensatoren, doch im Detail gibt es Unterschiede, die möglicherweise für das Flywheel sprechen. Nun hat auch die TU Graz ein Forschungsprojekt aufgesetzt, in dem es diese Speichertechnik erforschen will.
Kraft aus der Rotation
Industriepartner in dem Projekt ist die Firma Rosseta, die unter anderem auf die Entwicklung von Schwungradspeichern spezialisiert ist. Sie soll bis etwa September 2012 ein Testfahrzeug auf Grundlage eines Škoda Roomster aufbauen. Projektleiter Gert Holler von der TU Graz will sich allerdings nicht nur auf ein bestimmtes Pkw-Konzept festlegen, sondern erhofft sich darüber hinausgehende Erkenntnisse. Denn obwohl die grundlegenden Eigenschaften des Schwungradspeichers bekannt sind, stellen sich die bei der Hybridisierung üblichen Fragen nach Skalierung, Kosten und sinnvollen Anwendungsszenarien.
Der Schwungradspeicher als "kinetische Batterie" (4 Bilder)
Die TU Graz erforscht, ob der Schwungradspeicher eine sinnvolle Erweiterung für elektrische und Hybridantriebe ist.
Der Schwungradspeicher beruht auf dem Prinzip, dass ein im Vakuum laufendes Schwungrad kinetische Energie aufnehmen und wieder abgeben kann – man könnte es als eine Art kinetische Batterie betrachten, mit hochdynamischen Eigenschaften freilich. Laut Gert Holler kann der Schwungradspeicher etwa 300 Wh rekuperieren und wieder abgeben, das entspreche etwa einem Bremsvorgang von 70 auf 0 km/h. 300 Wh sind nicht allzu viel, doch der Honda Jazz Hybrid hat beispielsweise auch nicht mehr als 600 Wh zu bieten. Erstaunlicherweise erfolgt die Selbstentladung des Schwungradspeichers recht langsam. Erst nach fünf bis sechs Stunden ist er "leer". Dass das Schwungrad nicht zum Sanktnimmerleinstag weiterrotiert, liegt zum Beispiel daran, dass ein Rest Reibung bleibt, weil trotz des angestrebten Vakuums eben doch ein Rest Atmosphäre im Gehäuse verbleibt und somit ein wenig Luftreibung.
Ungleich gesellt sich gern
Es geht aber gar nicht unbedingt um eine Konkurrenz der Energiespeicher, sondern um ihrer gegenseitige Ergänzung. Der Schwungradspeicher ist im Prinzip eine ideale Ergänzung für eine Batterie: Er reagiert so dynamisch, wie es die Rekuperation oder Leistungsabgabe eben vorgibt, er ist vollkommen unempfindlich gegen "Tiefentladung" und reagiert thermisch nicht auf Belastungen wie eine Batterie. Man könnte also schnelle Brems- und Beschleunigungsvorgänge mit dem Flywheel abwickeln und eine chemische Batterie im Gegenzug konsequent auf Energiedichte statt auf Leistung optimieren. Sie könnte dann zum Beispiel sehr schön auf langen Abfahrten geladen werden, während sich der Schwungradspeicher als Kurzzeitunterstützung bei dynamischen Fahrzuständen empfiehlt – nicht umsonst wird er auch im Motorsport eingesetzt.
Gert Holler sieht das Flywheel auch als sehr geeignete Ergänzung für den Brennstoffzellenantrieb. Die Brennstoffzelle hat ja die Eigenheit, bei der Energieerzeugung etwas träge zu reagieren, ein flinker Energiespeicher ist also eine willkommene Ergänzung. In dieser Konstellation erübrigt sich dann auch eine zusätzlich chemische Batterie. Da beim Brennstoffzellenantrieb die Verwendung des regenerativ erzeugten Energieträgers ohnehin Voraussetzung ist, ist der Energieträger Wasserstoff der weitaus bessere Speicher.
Dreifachhybrid und GPS
Während der Brennstoffzellenantrieb aber noch weit weg ist, sind die Vorteile für Hybridfahrzeuge relativ schnell umsetzbar: Wenn das Flywheel die Batterie entlastet, wird die Batterie chemisch und thermisch weniger gestresst, ihr bleiben viele Be- und Entladezyklen erspart und sie kann unter Umständen kleiner ausgelegt werden. Vielleicht – all das muss nun erforscht werden – kann die Kombination aus Schwungradspeicher und Batterie sogar preisgünstiger sein als letztere allein, zumal auch die Lebensdauer der Batterie steigt. Sogar die Energiebilanz kann im Gesamtszenario besser ausfallen, weil der Schwungradspeicher einen sehr guten Wirkungsgrad hat.
Die unterschiedlichen Qualitäten von Schwungradspeicher und Batterie ließen sich zudem weiter verbessern, wenn die Betriebsstrategie des Fahrzeugs GPS nutzen würde. Bei einer langen Abfahrt wäre dann zum Beispiel die Batterie das bevorzugte Speichermedium, bei einer kurvigen Landstraße käme bevorzugt das Flywheel zum Zuge. Bei Lkws gibt es das bereits, doch beim "Motor-Batterie-Flywheel-Dreifachhybrid" kommt noch der Vorteil dazu, das Energiemanagement zwischen zwei unterschiedlich gearteten Speichern optimal gestalten zu können.
Langes Leben
Nun stellt sich noch die Frage, warum man statt des irrsinnig schnell rotierenden Schwungradspeichers (bis zu 60.000/min) nicht einfach Ultrakondensatoren einsetzt, die ebenfalls sehr gute dynamische Eigenschaften haben. Als ein Vorteil der Ultracaps kann gelten, dass sie sich langsamer selbstentladen als ein Schwungradspeicher – das ist bei Kurzeitanwendungen aber nicht unbedingt entscheidend. Andererseits sind Ultracaps wie Batterie thermisch nicht ganz unkritisch. Nach Angaben von Rosseta ist der Schwungradspeicher bei der Energiedichte besser (5,5 vs, 2,2 Wh/kg), umgekehrt der Ultrakondensator bei der Leistung (1400 vs. 320 W/kg). Ein großer Vorteil des Schwungradspeichers ist auch seine extrem hohe Zyklenfestigkeit von 5.000.000. Der Ultracap schaffe 500.000 Zyklen, eine NiMh-Batterie 400.000.
Rosseta sieht den Schwungradspeicher prädestiniert für Anwendungen, bei denen die Be- und Entladefenster innerhalb eines Zeitfensters von zehn Minuten stattfindet. Praktisch betrachtet kommen daher Anwendungen in Bussen oder Kommunalfahrzeugen in Frage, wie auch Gert Holler von der TZ Graz sagt. Bei Pkws käme es wohl darauf an, die Technik um eine sehr gute Betriebsstrategie zu ergänzen, weil der gemeine Pkw-Fahrer ungern nach Plan fährt, wie es zum Beispiel ein Stadtbus kann. Und selbst der Start-Stop-lastige Schienenverkehr kommt in Frage. Gert Holler zitiert einen Hersteller, der schon Interesse angemeldet hat: "Bei unserem nächsten Fahrzeug lassen wir schon mal den Bauraum frei". Ob sich das Flywheel aber auch im Pkw bewährt, muss sich zeigen – genau das soll die bevorstehende Testphase mit dem Škoda Roomster erweisen. (ggo)