TransportEdit
AutomotiveEdit
In den 1950er Jahren wurden in Yverdon (Schweiz) und Gent (Belgien) schwungradbetriebene Busse, so genannte Gyrobusse, eingesetzt, und es wird weiter an der Entwicklung von Schwungradsystemen geforscht, die kleiner, leichter und billiger sind und eine höhere Kapazität haben. Man hofft, dass Schwungradsysteme herkömmliche chemische Batterien für mobile Anwendungen, wie z. B. Elektrofahrzeuge, ersetzen können. Vorgeschlagene Schwungradsysteme würden viele der Nachteile bestehender Batteriesysteme, wie geringe Kapazität, lange Ladezeiten, hohes Gewicht und kurze Nutzungsdauer, beseitigen. Schwungräder wurden möglicherweise im experimentellen Chrysler Patriot verwendet, was jedoch bestritten wird.
Schwungräder wurden auch für den Einsatz in stufenlosen Getrieben vorgeschlagen. Punch Powertrain arbeitet derzeit an einem solchen Gerät.
In den 1990er Jahren entwickelte Rosen Motors einen von einer Gasturbine angetriebenen Serienhybrid-Antriebsstrang, der ein Schwungrad mit 55.000 Umdrehungen pro Minute nutzte, um Beschleunigungsstöße zu erzeugen, die der kleine Gasturbinenmotor nicht leisten konnte. Das Schwungrad speicherte auch Energie durch regeneratives Bremsen. Das Schwungrad bestand aus einer Titannabe mit einem Kohlefaserzylinder und war kardanisch gelagert, um negative gyroskopische Effekte auf das Fahrverhalten zu minimieren. Der Prototyp wurde 1997 erfolgreich auf der Straße getestet, aber nie in Serie produziert.
Im Jahr 2013 kündigte Volvo ein Schwungradsystem an, das an der Hinterachse seiner S60-Limousine angebracht ist. Beim Bremsen dreht sich das Schwungrad mit bis zu 60.000 Umdrehungen pro Minute und stoppt den Frontmotor. Die Energie des Schwungrads wird über ein spezielles Getriebe genutzt, um das Fahrzeug teilweise oder vollständig anzutreiben. Das 20 Zentimeter lange und 6 Kilogramm schwere Schwungrad aus Kohlefaser dreht sich in einem Vakuum, um Reibung zu vermeiden. In Verbindung mit einem Vierzylindermotor kann es den Kraftstoffverbrauch gegenüber einem vergleichbaren Turbo-Sechszylinder um bis zu 25 Prozent senken, die Leistung um 80 PS (60 kW) steigern und den Wagen in 5,5 Sekunden auf 100 Kilometer pro Stunde beschleunigen. Das Unternehmen gab keine konkreten Pläne bekannt, die Technologie in seine Produktlinie aufzunehmen.
Im Juli 2014 erwarb GKN die Sparte Williams Hybrid Power (WHP) und beabsichtigt, in den nächsten zwei Jahren 500 elektrische Gyrodrive-Schwungradsysteme aus Kohlefaser an Betreiber von Stadtbussen zu liefern. Wie der frühere Name des Entwicklers andeutet, wurden diese ursprünglich für Anwendungen im Formel-1-Rennsport konzipiert. Im September 2014 gab die Oxford Bus Company bekannt, dass sie 14 Gyrodrive-Hybridbusse von Alexander Dennis bei ihrem Brookes Bus-Betrieb einführt.
SchienenfahrzeugeEdit
Schwungradsysteme wurden versuchsweise in kleinen Elektrolokomotiven zum Rangieren oder Rangieren eingesetzt, z. B. in der Sentinel-Oerlikon Gyro Locomotive. Größere Elektrolokomotiven, z. B. die Class 70 von British Rail, wurden manchmal mit Schwungrad-Boostern ausgestattet, um sie über Lücken in der dritten Schiene zu tragen. Fortschrittliche Schwungräder, wie das 133-kWh-Paket der University of Texas in Austin, können einen Zug aus dem Stand auf Reisegeschwindigkeit bringen.
Der Parry People Mover ist ein Triebwagen, der von einem Schwungrad angetrieben wird. Er wurde in den Jahren 2006 und 2007 zwölf Monate lang sonntags auf der Stourbridge Town Branch Line in den West Midlands, England, erprobt und sollte nach der Bestellung von zwei Einheiten im Dezember 2008 vom Bahnbetreiber London Midland als vollwertiger Service eingeführt werden. Im Januar 2010 sind beide Einheiten in Betrieb.
Elektrifizierung der BahnEdit
FES können an der Strecke elektrifizierter Eisenbahnen eingesetzt werden, um die Regulierung der Streckenspannung zu unterstützen und so die Beschleunigung nicht modifizierter elektrischer Züge und die Menge der beim regenerativen Bremsen in die Strecke zurückgewonnenen Energie zu verbessern und so die Energiekosten zu senken. Versuche fanden in London, New York, Lyon und Tokio statt, und die Long Island Rail Road der New Yorker MTA investiert jetzt 5,2 Mio. $ in ein Pilotprojekt auf der West Hempstead Branch Line der LIRR. Diese Versuche und Systeme speichern kinetische Energie in Rotoren, die aus einem mit Neodym-Eisen-Bor-Pulver gefüllten Kohlenstoff-Glas-Verbundzylinder bestehen, der einen Permanentmagneten bildet. Diese drehen sich mit bis zu 37800 Umdrehungen pro Minute, und jede 100-kW-Einheit kann 11 Megajoule (3,1 kWh) wiederverwendbare Energie speichern, was ungefähr ausreicht, um ein Gewicht von 200 Tonnen von Null auf 38 km/h zu beschleunigen.
Unterbrechungsfreie StromversorgungenEdit
Schwungrad-Stromspeichersysteme, die seit 2001 in Produktion sind, haben eine mit Batterien vergleichbare Speicherkapazität und schnellere Entladungsraten. Sie werden hauptsächlich zum Lastausgleich für große Batteriesysteme eingesetzt, z. B. als unterbrechungsfreie Stromversorgung für Rechenzentren, da sie im Vergleich zu Batteriesystemen erheblich Platz sparen.
Die Wartung von Schwungrädern kostet im Allgemeinen etwa die Hälfte der Kosten herkömmlicher Batterie-USV-Systeme. Die einzige Wartung besteht in einer grundlegenden jährlichen vorbeugenden Wartungsroutine und dem Austausch der Lager alle fünf bis zehn Jahre, was etwa vier Stunden in Anspruch nimmt. Bei neueren Schwungradsystemen wird die sich drehende Masse mithilfe von wartungsfreien Magnetlagern vollständig in die Schwebe gebracht, so dass Wartung und Ausfälle von mechanischen Lagern entfallen.
Die Kosten für eine vollständig installierte Schwungrad-USV (einschließlich Stromaufbereitung) liegen (im Jahr 2009) bei etwa 330 US-Dollar pro Kilowatt (für 15 Sekunden Volllastkapazität).
TestlaborsEdit
Ein seit langem bestehender Nischenmarkt für Schwungradsysteme sind Einrichtungen, in denen Stromkreisunterbrecher und ähnliche Geräte getestet werden: Selbst ein kleiner Haushaltsstromkreisunterbrecher kann für die Unterbrechung eines Stroms von 10000 oder mehr Ampere ausgelegt sein, und größere Einheiten können Unterbrechungswerte von 100000 oder 1000000 Ampere haben. Die enormen transienten Belastungen, die dadurch entstehen, dass solche Geräte gezwungen werden, ihre Fähigkeit zur Unterbrechung simulierter Kurzschlüsse zu demonstrieren, hätten unannehmbare Auswirkungen auf das örtliche Netz, wenn diese Tests direkt von der Stromversorgung des Gebäudes aus durchgeführt würden. Typischerweise verfügt ein solches Labor über mehrere große Motor-Generator-Sätze, die über mehrere Minuten auf Drehzahl gebracht werden können; dann wird der Motor abgeschaltet, bevor ein Schutzschalter getestet wird.
PhysiklaborsEdit
Tokamak-Fusionsexperimente benötigen für kurze Zeiträume sehr hohe Ströme (hauptsächlich, um große Elektromagnete für einige Sekunden zu betreiben).
- JET (Joint European Torus) verfügt über zwei 775 Tonnen schwere Schwungräder (installiert 1981), die sich mit bis zu 225 Umdrehungen pro Minute drehen. Jedes Schwungrad speichert 3,75 GJ und kann bis zu 400MW liefern.
- Das Helically Symmetric Experiment an der University of Wisconsin-Madison verfügt über 18 Ein-Tonnen-Schwungräder, die mit Hilfe von wiederverwendeten elektrischen Zugmotoren auf 10.000 Umdrehungen pro Minute gedreht werden.
- ASDEX hat drei Schwungradgeneratoren.
- DIII-D (Tokamak) bei General Atomics
- der Princeton Large Torus (PLT) am Princeton Plasma Physics Laboratory
Auch der Nicht-Tokamak: Nimrod Synchrotron am Rutherford Appleton Laboratory hatte zwei 30 Tonnen Schwungräder.
Flugzeug-StartsystemeBearbeiten
Der Flugzeugträger der Gerald R. Ford-Klasse wird Schwungräder verwenden, um Energie aus der Stromversorgung des Schiffes zu akkumulieren, die dann schnell an das elektromagnetische Flugzeug-Startsystem abgegeben wird. Das bordeigene Stromversorgungssystem allein kann die für den Start von Flugzeugen erforderliche hohe Leistung nicht erbringen. Jeder der vier Rotoren kann bei 6400 Umdrehungen pro Minute 121 MJ (34 kWh) speichern. Sie können 122 MJ (34 kWh) in 45 Sekunden speichern und in 2-3 Sekunden wieder abgeben. Die Energiedichte des Schwungrads beträgt 28 kJ/kg (8 W-h/kg); einschließlich der Statoren und Gehäuse sind es 18,1 kJ/kg (5 W-h/kg), ohne den Drehmomentrahmen.
NASA G2-Schwungrad für die Energiespeicherung von RaumfahrzeugenEdit
Dieses Design wurde vom Glenn Research Center der NASA finanziert und war für Komponententests in einer Laborumgebung vorgesehen. Es bestand aus einer Kohlefaserfelge mit einer Titannabe, die sich mit 60.000 Umdrehungen pro Minute drehen sollte und auf Magnetlagern montiert war. Das Gewicht war auf 250 Pfund begrenzt. Die Speicherkapazität betrug 525 W-hr (1,89 MJ) und konnte mit 1 kW geladen oder entladen werden. Das Arbeitsmodell auf dem Foto oben auf der Seite lief am 2. September 2004 mit 41.000 Umdrehungen pro Minute.
VergnügungsfahrtenBearbeiten
Die Achterbahn Montezooma’s Revenge in Knott’s Berry Farm war die erste Achterbahn der Welt mit Schwungradantrieb und ist die letzte ihrer Art, die noch in den Vereinigten Staaten in Betrieb ist. Die Bahn nutzt ein 7,6 Tonnen schweres Schwungrad, um den Zug in 4,5 Sekunden auf 55 Meilen pro Stunde (89 km/h) zu beschleunigen.
Die Achterbahn „Incredible Hulk“ in Universal’s Islands of Adventure verfügt über einen schnell beschleunigenden, bergauf gerichteten Start im Gegensatz zum typischen Gravity Drop. Erreicht wird dies durch leistungsstarke Fahrmotoren, die den Wagen die Strecke hinaufschleudern. Um den kurzen, sehr hohen Strom zu erreichen, der erforderlich ist, um einen kompletten Achterbahnzug auf volle Geschwindigkeit zu beschleunigen, setzt der Park mehrere Motor-Generator-Sets mit großen Schwungrädern ein. Ohne diese Energiespeicher müsste der Park in ein neues Umspannwerk investieren oder riskieren, dass das örtliche Stromnetz bei jedem Start der Achterbahn ausfällt.
Pulse powerEdit
Schwungrad-Energiespeichersysteme (FESS) finden sich in einer Vielzahl von Anwendungen, die vom netzgebundenen Energiemanagement bis zur unterbrechungsfreien Stromversorgung reichen. Mit den Fortschritten in der Technologie werden die FESS-Anwendungen schnell erneuert. Beispiele hierfür sind Hochleistungswaffen, Flugzeugantriebe und Bordstromversorgungssysteme, bei denen das System für einen kurzen Zeitraum in der Größenordnung von einigen Sekunden oder sogar Millisekunden eine sehr hohe Leistung benötigt.Der kompensierte gepulste Generator (Compulsator) ist wegen seiner hohen Energie- und Leistungsdichte, die im Allgemeinen für die FESS ausgelegt ist, eine der beliebtesten Optionen für gepulste Stromversorgungen für Fusionsreaktoren, gepulste Hochleistungslaser und elektromagnetische Hochgeschwindigkeitsraketen.Compulsatoren (niederinduktive Generatoren) wirken wie Kondensatoren, sie können hochgefahren werden, um gepulste Energie für Railguns und Laser zu liefern. Anstelle eines separaten Schwungrads und eines Generators speichert nur der große Rotor des Generators Energie. Siehe auch Homopolarer Generator.
MotorsportBearbeiten
Bei einem stufenlosen Getriebe (CVT) wird beim Bremsen Energie aus dem Antriebsstrang zurückgewonnen und in einem Schwungrad gespeichert. Diese gespeicherte Energie wird dann beim Beschleunigen genutzt, indem die Übersetzung des CVT-Getriebes verändert wird. Im Motorsport wird diese Energie zur Verbesserung der Beschleunigung und nicht zur Verringerung des Kohlendioxidausstoßes verwendet, obwohl die gleiche Technologie auch bei Straßenfahrzeugen zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz eingesetzt werden kann.
Automobile Club de l’Ouest, der Veranstalter des jährlichen 24-Stunden-Rennens von Le Mans und der Le Mans Series, untersucht derzeit „spezifische Regeln für die LMP1-Klasse, die mit einem kinetischen Energierückgewinnungssystem ausgestattet sein wird.“
Williams Hybrid Power, eine Tochtergesellschaft des Williams F1 Racing Teams, hat Porsche und Audi mit schwungradbasierten Hybridsystemen für den 911 GT3 R Hybrid von Porsche und den R18 e-Tron Quattro von Audi beliefert. Der Sieg von Audi bei den 24 Stunden von Le Mans 2012 ist der erste für ein Hybridfahrzeug (dieselelektrisch).
NetzenergiespeicherungBearbeiten
Schwungräder werden manchmal als kurzfristige Spinning-Reserve zur kurzfristigen Netzfrequenzregulierung und zum Ausgleich plötzlicher Veränderungen zwischen Angebot und Verbrauch eingesetzt. Keine Kohlendioxidemissionen, schnellere Reaktionszeiten und die Möglichkeit, Strom zu Schwachlastzeiten zu kaufen, gehören zu den Vorteilen des Einsatzes von Schwungrädern anstelle von herkömmlichen Energiequellen wie Erdgasturbinen. Der Betrieb ist Batterien in der gleichen Anwendung sehr ähnlich, die Unterschiede sind in erster Linie wirtschaftlicher Natur.
Beacon Power eröffnete 2011 in Stephentown, New York, eine 5-MWh-Schwungrad-Energiespeicheranlage (20 MW über 15 Minuten) mit 200 Schwungrädern und 2014 ein ähnliches 20-MW-System in Hazle Township, Pennsylvania.
Eine 2-MW-Schwungradspeicheranlage (für 15 Minuten) in Minto, Ontario, Kanada, wurde 2014 eröffnet. Das Schwungradsystem (entwickelt von NRStor) verwendet 10 sich drehende Stahlschwungräder auf Magnetlagern.
Amber Kinetics, Inc. hat eine Vereinbarung mit Pacific Gas and Electric (PG&E) über eine 20 MW / 80 MWh Schwungrad-Energiespeicheranlage in Fresno, CA, mit einer Entladedauer von vier Stunden.
WindturbinenEdit
Schwungräder können zur Speicherung von Energie verwendet werden, die von Windturbinen in Schwachlastzeiten oder bei hohen Windgeschwindigkeiten erzeugt wird.
Im Jahr 2010 begann Beacon Power mit der Erprobung seines Schwungrad-Energiespeichersystems Smart Energy 25 (Gen 4) in einem Windpark in Tehachapi, Kalifornien. Das System war Teil eines Windkraft-/Schwungrad-Demonstrationsprojekts, das für die kalifornische Energiekommission durchgeführt wurde.
SpielzeugBearbeiten
Friktionsmotoren, die für den Antrieb vieler Spielzeugautos, Lastwagen, Züge, Action-Spielzeuge usw. verwendet werden, sind einfache Schwungradmotoren.
KniehebelpressenBearbeiten
In der Industrie sind Kniehebelpressen immer noch beliebt. Die übliche Anordnung beinhaltet eine sehr starke Kurbelwelle und eine schwere Pleuelstange, die die Presse antreibt. Große und schwere Schwungräder werden von Elektromotoren angetrieben, aber die Schwungräder drehen die Kurbelwelle nur, wenn Kupplungen aktiviert werden.