Energiespeicherung im Schwungrad ist eine Energiespeichertechnologie mit hoher Leistungsdichte, hoher Zuverlässigkeit, langer Lebensdauer und Umweltfreundlichkeit. Sie zeichnet sich durch vollständiges magnetisches Schweben, geringen Energieverbrauch, schnelle Reaktion, lange Lebensdauer und eine hohe Anzahl von Lade- und Entladezyklen aus.
1. Was ist eine Schwungrad-Energiespeicherung?
Je nach den verschiedenen Energiespeichermethoden werden die Energiespeichertechnologien hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt: mechanische Energiespeicher (z. B. Pumpspeicher, Druckluftspeicher, Schwungradspeicher usw.), elektromagnetische Energiespeicher (z. B. supraleitende elektromagnetische Energiespeicher, Superkondensator-Energiespeicher usw.) und elektrochemische Energiespeicher (z. B. Bleisäurebatterien, Redox-Flow-Batterien, Natrium-Schwefel-Batterien), Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeicher, usw.).
Die Schwungrad-Energiespeichertechnologie ist eine Art von Energiespeichertechnologien das wechselseitig bidirektionale Motoren (Motor/Generator) verwendet, um eine wechselseitige Umwandlung zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie von hochtourig rotierenden Schwungrädern zu realisieren. Das System nutzt ein mit hoher Geschwindigkeit rotierendes Schwungrad, um Energie in Form von kinetischer Energie zu speichern. Wenn dringend Energie fehlt oder benötigt wird, verlangsamt sich das Schwungrad und gibt die gespeicherte Energie frei.
2. Das technische Prinzip der Schwungrad-Energiespeicherung
Der Schwungrad-Energiespeicher ist ein mechanischer Speicher, der die gegenseitige Umwandlung und Speicherung von elektrischer Energie und mechanischer kinetischer Energie eines mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Schwungrads durch einen bidirektionalen Elektro-/Generatormotor realisiert. Die im Schwungrad gespeicherte Energie basiert auf dem Prinzip der rotierenden Masse. Die Eingangsenergie für ein Schwungrad-Energiespeichersystem stammt in der Regel aus dem Stromnetz oder einer anderen elektrischen Energiequelle. Das Schwungrad ist koaxial mit dem Motor verbunden, was zeigt, dass die Steuerung des Motors das Schwungrad steuern kann.
Das sich drehende Schwungrad wird von einem Elektromotor angetrieben, der elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt und umgekehrt. Wenn das Schwungrad Energie speichert, treibt der Motor das Schwungrad an, um es zu beschleunigen, und die elektrische Energie wird in kinetische Energie umgewandelt; wenn die Energie freigesetzt wird, treibt das Schwungrad den Motor an, um Strom zu erzeugen, das Schwungrad wird abgebremst, und die kinetische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.
3. Merkmale der Schwungrad-Energiespeicherung
Als neue Technologie in der globale Energiespeicherung Industrie hat die Schwungrad-Energiespeicherung an vielen Stellen ihre eigenen einzigartigen Vorteile. Sie ist derzeit eine der vielversprechendsten Technologien zur kurzfristigen Speicherung von Energie mit hoher Leistung, wie in:
- Das Schwungrad hat eine hohe Energiespeicherdichte und eine hohe Momentanleistung. Es kann in kurzer Zeit mehr Energie abgeben, was dem Start der elektromagnetischen Waffe und dem schnellen Anfahren des Fahrzeugs förderlich ist.
- Langer Lebenszyklus. Während des gesamten Lebenszyklus werden die Energiespeicherdichte und die Lebensdauer nicht durch Überladung oder Überentladung beeinträchtigt, und das Schwungrad wird nicht beschädigt. Die Lebensdauer hängt hauptsächlich von der Lebensdauer der elektronischen Komponenten in der Schwungradbatterie ab und beträgt im Allgemeinen bis zu 20 Jahre.
- Die Entladungstiefe und die verbleibende "Leistung" lassen sich leicht messen.
- Die Ladezeit ist kurz. In der Regel kann der Akku innerhalb weniger Minuten vollständig aufgeladen werden.
- Hohe Energieumwandlungseffizienz. Im Allgemeinen kann er etwa 90% erreichen, was bedeutet, dass mehr Energie zur Verfügung steht und weniger Wärme abgeleitet wird, was höher ist als der Umwandlungswirkungsgrad von chemischen Batterien.
- Grün und umweltfreundlich, keine Verschmutzung.
4. Zusammensetzung der Energiespeicherung im Schwungrad
Das Schwungrad-Energiespeichersystem besteht aus Schwungradrotor, Motor, Lager, leistungselektronischer Schnittstelle und Gehäuse.
- Schwungradrotor
Die in einem Schwungrad gespeicherte Energie wird durch die Form und das Material des Rotors bestimmt. Die Energie ist linear proportional zum Trägheitsmoment und zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit, so dass die gespeicherte Energie eines Schwungrads entweder durch Erhöhung der Drehzahl oder durch Erhöhung des Trägheitsmoments optimiert werden kann. Daraus ergeben sich zwei Optionen für Schwungradspeichersysteme: Schwungradspeichersysteme mit niedriger Drehzahl (typischerweise bis zu 10.000 U/min) und Schwungradspeichersysteme mit hoher Drehzahl (bis zu 100.000 U/min).
Schwungräder für niedrige Drehzahlen bestehen in der Regel aus schwereren Metallwerkstoffen und werden durch mechanische oder magnetische Lager gehalten. Hochgeschwindigkeitsschwungräder bestehen in der Regel aus leichteren, aber stärkeren Verbundwerkstoffen und erfordern in der Regel Magnetlager. Hochgeschwindigkeitsschwungräder kosten oft bis zum Fünffachen der Kosten von Schwungrädern mit niedriger Drehzahl.
- Motor
Der elektrische/generierende bidirektionale Motor ist mit dem Schwungrad gekoppelt, um die Energieumwandlung zu realisieren und Batterieaufladung Prozess des Schwungrads. Diese Maschine fungiert als Motor, der kinetische Energie für das Schwungrad speichert, indem er es beschleunigt und Strom aus der Stromquelle bezieht.
Die im Schwungrad gespeicherte Energie wird von demselben Elektromotor entnommen, der als Generator fungiert, so dass das Schwungrad bei der Umwandlung von Bewegungsenergie in Strom langsamer wird. Die in Schwungrad-Energiespeichersystemen üblicherweise verwendeten Motoren sind Induktionsmotoren (IM), Permanentmagnetmotoren (PM) und variable Reluktanzmotoren (VRM). Induktionsmotoren werden aufgrund ihrer Robustheit, ihres hohen Drehmoments und ihrer niedrigen Kosten in Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Die Hauptprobleme von Induktionsmotoren sind die begrenzte Drehzahl, die komplexe Steuerung und der höhere Wartungsbedarf.
- Doppelt gespeiste Asynchronmotoren (DFIMs) werden derzeit in Schwungrad-Energiespeichersystemen eingesetzt, da sie flexibel steuerbar sind und eine geringere Leistungsumwandlung ermöglichen, wodurch die Größe der Leistungselektronik reduziert wird.
- Der variable Reluktanzmotor zeichnet sich durch eine stabile Leistung, geringe Leerlaufverluste und einen großen Drehzahlbereich aus. Für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb haben variable Reluktanzmotoren einen einfacheren Steuerungsmechanismus als Induktionsmotoren. Ihre Nachteile sind ein niedriger Leistungsfaktor, eine geringe Leistungsdichte und große Drehmomentschwankungen. Sowohl die geschaltete Reluktanz als auch die synchrone Reluktanz sind für Hochgeschwindigkeits-Schwungrad-Energiespeichersysteme geeignet.
- Der Permanentmagnetmotor hat einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Leistungsdichte und geringe Rotorverluste und ist der am häufigsten verwendete Motor für Schwungrad-Energiespeichersysteme. Er wird häufig in Hochgeschwindigkeitsanwendungen eingesetzt. Die Hauptprobleme von Permanentmagnetmotoren sind Leerlaufverluste aufgrund von Wirbelstromverlusten im Stator, hoher Preis und geringe Zugfestigkeit.
- Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDCM), Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) und Halbach-Array-Maschinen (HAM) sind die wichtigsten Arten von Permanentmagnetmotoren, die in Schwungrad-Energiespeichersystemen eingesetzt werden.
- Lager
Schwungrad-Energiespeicher benötigen Lager, die den Rotor mit sehr geringer Reibung in Position halten und gleichzeitig den Stützmechanismus für das Schwungrad bilden. Lagersysteme können mechanisch oder magnetisch sein, je nach Gewicht, Lebensdauer und geringeren Verlusten.
Traditionell werden mechanische Kugellager verwendet, aber im Vergleich zu magnetischen Lagern haben mechanische Kugellager eine höhere Reibung und erfordern höhere Wartungskosten aufgrund der Verschlechterung des Schmiermittels. Diese Mängel können durch den Einsatz eines Hybridsystems aus magnetischen und mechanischen Lagern gemildert werden. Magnetische Lager haben keine Reibungsverluste und benötigen keine Schmierung.
Permanentmagnetische (passive) Lager (PMB), aktive Magnetlager (AMB) und supraleitende Magnetlager (SMB) sind die wichtigsten Arten von Magnetlagersystemen.
- PMB haben eine hohe Steifigkeit, niedrige Kosten und geringe Verluste. Allerdings haben PMBs Einschränkungen bei der Stabilität und werden im Allgemeinen als Hilfslagersysteme betrachtet.
- Der AMB wird durch ein Magnetfeld angetrieben, das von einer stromdurchflossenen Spule erzeugt wird, die die Rotorposition steuert. Die Kosten für AMB sind hoch, das Steuerungssystem ist komplex, und während des Betriebs wird Energie verbraucht, was die Systemverluste erhöht. Um eine gute Effizienz des Gesamtsystems zu gewährleisten, muss ein Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Verlusten gefunden werden.
- SMB bietet hohe Geschwindigkeit, keine Reibung, lange Lebensdauer, kompakten und stabilen Betrieb. Es ist das beste Magnetlager für Hochgeschwindigkeitsbetrieb, da es das Schwungrad ohne elektrische Energie oder Positionierungssysteme stabilisiert. Das SMB erfordert jedoch ein kryogenes Kühlsystem, da es bei sehr niedrigen Temperaturen arbeitet; in den letzten Jahren wurde es jedoch durch die Verwendung von Hochtemperatursupraleitern (HTS) verbessert. Der größte Nachteil des SMB-Systems ist, dass es sehr teuer ist.
5. Leistungsparameter der Schwungrad-Energiespeichertechnologie
| Projekt | Hochgeschwindigkeits-Schwungrad-Energiespeicher |
|---|---|
| Technologischer Reifegrad | Kommerziell |
| Energiedichte (W.h/kg) | 32 |
| Leistungsdichte (W/kg) | 4500 |
| Wirkungsgrad der Energieumwandlung, % | ＞85 |
| Leistungspegel/MW | 0～20 |
| Kontinuierliche Entladezeit | 1ms～1min |
| Selbstentladungsrate (%/Monat) | 2~20 |
| Dienstjahre | 20 |
| Anzahl der Zyklen | Mehr als eine Million Mal |
| Anlaufzeit/ms | ＜2 |
| Entsprechende Geschwindigkeit/ms | ＜2 |
| Stromkosten (Yuan/kW) | 1700～2000 |
| Energiekosten (Yuan/kW.h) | 100000～400000 |
| Betriebs- und Wartungskosten/(Yuan/kW) | 50～100 |
6. Technische Vorteile der Energiespeicherung im Schwungrad
Aus dem technischen Vergleich verschiedener Energiespeichermethoden geht hervor, dass die Schwungrad-Energiespeicherung einen hohen Wirkungsgrad (bis zu 90%), eine hohe Momentanleistung (ein Megawatt), eine schnelle Reaktionszeit (mehrere Millisekunden) und eine lange Lebensdauer aufweist (10 Es handelt sich um eine der derzeit vielversprechendsten Technologien zur kurzfristigen Speicherung von Hochleistungsenergie.
7. Anwendungsszenarien der Schwungrad-Energiespeicherung
- Eisenbahntransit
Die Vorteile der hohen Leistungsdichte und des hohen Wirkungsgrads von Schwungrad-Energiespeichern passen perfekt zum Schienenverkehrssystem, und ihr Energiespareffekt übertrifft den anderer Energiespargeräte bei weitem.
Bei den Betriebskosten des städtischen Schienenverkehrs, wie z. B. der U-Bahn, machen die Stromkosten etwa 40% aus, und die Traktionsenergie der Züge macht 45%-60% der gesamten Stromkosten des U-Bahn-Betriebs aus, von denen 17% wiederverwertbare regenerative Bremsenergie sind. Die zurückgewonnene Bremsenergie wird in der Regel durch Wärmeableitung verbraucht, was mit dem Problem der Ressourcenverschwendung und den Auswirkungen auf das Stromnetz verbunden ist. Durch den Einsatz eines Schwungrad-Energiespeichers können 15% an Traktionsenergie eingespart werden.
- Stromnetz
Schwungrad-Energiespeicher haben eine hohe Leistung, ein schnelles Ansprechverhalten und eine lange Lebensdauer und eignen sich für die Spitzenlastregulierung des Stromnetzes und die Frequenzregelung.
Einige europäische Länder haben Schwungrad-Energiespeichersysteme zur Spitzen- und Frequenzregulierung des Stromnetzes eingesetzt. Derzeit werden in China vielerorts Projekte zur Schwungrad-Energiespeicherung für die Spitzenlast- und Frequenzregelung des Stromnetzes durchgeführt. Es wird erwartet, dass sich das Tempo der Anwendung von Schwungrad-Energiespeichern für die Spitzen- und Frequenzregulierung des Stromnetzes weiter beschleunigen wird.
- Unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS)
UPS-Energiespeicherung Versorgung im Stromnetz gibt es eine große Anzahl von Nutzern, die hohe Anforderungen an die Stromqualität stellen, wie z. B. die Halbleiterherstellung, Computersysteme in Banken, Kommunikationssysteme, medizinische Präzisionsgeräte in Krankenhäusern usw. Wenn das externe Stromnetz unterbrochen wird oder die Qualität der Stromversorgung anormal ist, kann eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mit Schwungrad-Energiespeichern (USV) eingesetzt werden, um eine kontinuierliche und zuverlässige Stromversorgung für diese Verbraucher zu gewährleisten.
- Andere
Schwungrad-Energiespeicher eignen sich auch für den Einsatz in der Solarenergieerzeugung, der Windenergieerzeugung und anderen Systemen und werden auch in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.
8. Globaler Marktstatus der Schwungrad-Energiespeicherung
Die Schwungrad-Energiespeichertechnologie wurde seit Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelt und blickt auf eine mehr als 50-jährige Forschungs-, Entwicklungs- und Anwendungsgeschichte zurück. Gegenwärtig konzentriert sich die weltweite Forschung und Entwicklung der Schwungrad-Energiespeichertechnologie hauptsächlich auf die Vereinigten Staaten, Europa und Japan. Sie sind anderen Ländern bei der grundlegenden Anwendungsforschung der Schwungradtechnologie, den Schlüsseltechnologien, den Herstellungsverfahren, der Entwicklung der Produktindustrialisierung und den Marktaktivitäten weit voraus. Da andere Länder der Energiespeichertechnologie große Bedeutung beimessen und stark in sie investieren, wird der Trend der Multipolarisierung immer deutlicher.
Vereinigte Staaten: Derzeit sind die Vereinigten Staaten führend in der Erforschung der Schwungrad-Energiespeichertechnologie, was vor allem auf die langfristigen Investitionen von Institutionen wie dem DOE und der NASA seit den 1970er Jahren und die kontinuierliche Unterstützung durch den Kapitalmarkt seit mehr als 10 Jahren zurückzuführen ist.
Europa: Von vielen europäischen Ländern haben Deutschland und das Vereinigte Königreich die intensivste Forschung im Bereich der Schwungrad-Energiespeichertechnologie betrieben, und Frankreich, Italien und andere Länder haben ebenfalls stark investiert.
Japan: Japan verfügt über starke technische Stärken bei hochfesten Kohlefasermaterialien und hochtemperatursupraleitenden Materialien, was günstige Bedingungen für die Entwicklung der Schwungrad-Energiespeichertechnologie bietet.
China: China widmet der Schwungrad-Energiespeichertechnologie seit den 1980er Jahren große Aufmerksamkeit. Gegenwärtig hat die chinesische Schwungrad-Energiespeicherung viele erfolgreiche Erfahrungen in der praktischen Anwendung und Demonstration in den Bereichen Stromerzeugung, Ölförderung und Navigation gesammelt.
9. Entwicklungsrichtung der Schwungrad-Energiespeichertechnologie
- Das Motor- und Umrichtersystem wird sich in Richtung niedriger Kosten entwickeln;
- Rotoren mit hoher Energiedichte werden sich in Richtung Verbundwerkstoffe entwickeln;
- Stützlager werden sich in Richtung Magnetaufhängung und Verbundlager entwickeln;
- Schwungrad-Energiespeicher zur Verbesserung der autonomen Speicherung von Energie;
- Schwungrad-Energiespeichersysteme mit großer Kapazität werden sich in Richtung modularer Arrays entwickeln
Wenn das Trägheitsmoment und die Höchstgeschwindigkeit des Schwungradrotors einen bestimmten Wert überschreiten, treten technische und konstruktive Probleme auf, wie z. B.: hochfestes Schwungradrotormaterial, Konstruktions- und Fertigungstechnologie, Konstruktion und Fertigungstechnologie für Verbundlager, Konstruktion und Fertigungstechnologie für bidirektionale Motoren, Kühltechnologie für Motor und Lager im Vakuum usw.
Ausgehend von der aktuellen Entwicklung der Branche werden in diesem Artikel die wichtigsten Energiespeichertechnologien, Marktanwendungen, Probleme und Herausforderungen analysiert.
Als mittleres Glied in der Kette der Energiespeicherindustrie sind die 10 größten chinesischen Energiespeichersystemintegratoren für die Anbieter von Ausrüstungen und die Eigentümer von Energiespeichersystemen verantwortlich.
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