Schwungmassenspeicher
Das Schlagwort heißt „Rekuperation“. Mit einem Schwungmassenspeicher lässt sich Energie nur für eine recht begrenzte Dauer speichern, weil die Drehung einer Schwungmasse durch die Reibung permanent gebremst wird. Daraus folgt, daß die speicherbare Energie besonders hinsichtlich der Speicherungs-Dauer recht begrenzt ist.
Frei schwebende Magnetlagerungen liefern zwar ein Minimum an Reibung, aber wir wollen aus Kostengründen auch andere Alternativen betrachten. Vgl: https://www.amazon.de/Levitation-Wunderbarer-physischer-magnetischer-Suspended/dp/B08JFMHHKZ
Luftlager sind zwar als Alternative bekannt, haben aber den Nachteil, dass man permanent einen Luftstrom erzeugen muss. Das kostet auch Energie. Besser sind Wasser-Lager, bei denen das gelagerte bewegte Bauteil auf einem Wasserfilm gleitet. Prinzipiell könnte man anstelle des Wassers auch Öl verwenden, aber das Gleiten auf der Wasseroberfläche geht ausgesprochen reibungsarm vonstatten, solange der sich drehende Körper nicht in die Oberfläche des Wassers einsinkt. Dabei kommt es lediglich darauf an, die Dicke des Wasserfilms und die Drehzahl der bewegten Masse geeignet anzupassen.
Dimensionieren wir zum Zwecke der Veranschaulichung als Zahlenbeispiel willkürlich eine Schwungscheibe und berechnen wir die Rotationsenergie, sowie zur Kontrolle die Materialfestigkeit, so können wir ein Zahlenbeispiel (siehe hier) aufstellen. Die Formeln für die Materialfestigkeitsanalyse (Materialspannungen) entnehme ich der Einfachheit halber einem Standardbeispiel aus dem Internet, siehe:
https://autofem.com/examples/de/analysis_of_rotating_solid_dis.html
Das Schwungrad hat einen Außendurchmesser von 2.20 Metern und dreht mit einer Drehzahl von 7500 Umdrehungen/Minute, was für eine gleitende Wasser-Lagerung überhaupt kein Problem ist. Die eigentliche Begrenzung des Aufbaus liegt in der Materialfestigkeit des Stahls, der den Zentrifugalkräften standhalten muß. Ich habe im Beispiel einen Stahl mit einer Zugfestigkeit von 2000 N/mm² eingesetzt.
Die Masse des Schwungrades liegt, wenn wir Speichen (aus massivem Stahl) mitberücksichtigen, bei rund 1.2 Tonnen. Bei einem gegoogelten Stahlpreis von 480 € je Tonne landen wir also bei weniger als 600 Euros für das Material der Schwungscheibe – und das bei einer Energie-Speicherkapazität von rund 100 kWh !
Nun sind 6 Euros pro Kilowattstunde (!!) im Anschaffungspreis natürlich nicht der Gesamtpreis der Energiespeicher-Anlage (sondern nur der Preis des Stahls für das Schwungrad).
○ Man braucht ein Gehäuse. Dieses lässt sich preisgünstig aus Beton gießen oder aus dicken Steinen mauern, und erzeugt somit sicherlich keine hohen Kosten.
○ Man braucht einen elektrischen Motor-Generator, dessen Preis sich nach der Leistung richtet und nicht nach der Energie-Speicherkapazität. Brauche ich für mein Haus zum Beispiel nur 5 kW, so kann ich den elektrischen Motor-Generator für wenige 100 Euros bekommen.
○ Man muss die Schwungscheibe sehr präzise fertigen (im Mikrometer-Bereich), damit die Wasser-Lagerung funktioniert, weil die Dicke der Wasserschicht klein bleiben muß (Erläuterung siehe unten), was sicherlich in der Fertigung-Technologie noch mit einigen (wenigen) hundert Euros zu Buche schlagen kann.
○ Legen wir noch ein paar Euros für eine ordentliche elektronische Steuerung drauf, so landen wir sicherlich unter 2000 € für die gesamte Schwungrad-Energiespeicher-Anlage. Das wären maximal 20 €/kWh.
○ Nun kann man das Schwungrad mühelos deutlich dicker dimensionieren, ohne anderen Komponenten etwas ändern zu müssen. Nehmen wir das Schwungrad mit 60 cm zum Beispiel dreimal so dick wie im obigen Zahlenbeispiel gerechnet, dann kommen noch 1000 € für den Stahl hinzu, und wir landen bei ca. 3000 € für eine Schwungrad-Energiespeicher-Anlage mit einer Energie-Speicher-Kapazität von 300 kWh. Deswegen liegt eine realistische Einschätzung für den erreichbaren Endpreis bei vielleicht etwa 10 €/kWh, und zwar in den Anschaffungskosten für das Gerät.
○ In Anbetracht der unbegrenzten Lebensdauer (es sind viele 100‘000 Lade-Entlade-Zyklen zu erwarten), liegt also der Betriebspreis pro gespeicherter Kilowattstunde im Bereich von Bruchteilen eines zehntel Cent pro Kilowattstunde. Das ist ein Wert der mich selbst beim Erstellen der hier vorliegenden Kostenabschätzung noch angenehm überrascht hat.
Was noch zu ermitteln sein wird, ist die Tragfähigkeit der Wasser-Lagerung. Sollten wir dadurch hinsichtlich der Dicke der Scheibe (namentlich durch deren Gewicht) begrenzt werden, dann müßten wir eben doch mit einem Anschaffungspreis von 20 €/kWh leben. Auch das wäre nicht schlimm. Ich will aber diese Frage zum Anlass nehmen, über die Wasserlagerung nachfolgend noch ein paar Gedanken aufzuschreiben:
Die Fertigungspräzision für die Schwungräder muss gut genug sein, damit deren Oberflächen mit einem Abstand von wenigen Mikrometern aufeinander gleiten können, getrennt von einem dünnen Wasserfilm. Je dicker der Wasserfilm zwischen den Stahloberflächen der Lagerung ist, umso größer ist die Gefahr, dass sich Wirbel bilden können. Was wir unbedingt auf jeden Fall brauchen ist eine laminare Strömung im Wasser zwischen den Stahloberflächen.
(siehe: Laminare Strömung -> https://de.wikipedia.org/wiki/Laminare_Strömung
und -> https://de.wikipedia.org/wiki/Reynolds-Zahl )
Die sehr spezielle Wasser-Lagerung können wir also nutzen, um Energiespeicher zu bauen, deren Anschaffungskosten im Bereich zwischen 10 … 20 € pro kWh liegen, bei unbegrenzter Lebensdauer, das heißt bei einer unbegrenzten Anzahl von Lade- und Entlade- Zyklen. Damit halten wir einen echten technischen Fortschritt gegenüber allen bisher bekannten Energiespeicher-Anlagen in der Hand.
Daß eine Magnetlagerung unter Umständen noch effizienter sein kann, zeige ich in einer separaten Übersicht über die Effizienz und Wirkungsgrade von Energiespeicher-Anlagen.