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Mechanische Speicher - mobile Energiespeicher

Mechanische Speicher als mobile Energiespeicher

Im mobilen Einsatzbereich kommen vor allem zwei Varianten der mechanischen Energiespeicher zum Einsatz:

  1. Schwungräder
  2. Mobile Speicher für stoffliche Energieträger

Schwungräder im Überblick

Schwungräder agieren nach einem klaren Grundprinzip:

Elektrische Energie wird in Form kinetischer Energie gespeichert, und zwar indem ein Körper rotiert.
Im Ladevorgang wird das Schwungrad, also der Körper, mit Hilfe eines Elektromotors in Bewegung versetzt.
Im Entladevorgang dagegen wird dieser Elektromotor als Generator eingesetzt, der elektrische Energie erzeugt. Er wird in diesem Fall vom Schwungrad angetrieben.
Da es hierbei zu erheblichen Reibungsverlusten kommen kann, muss das Schwungrad auf Lagern geführt werden. In der Regel wird es zusätzlich in einer Vakuumkammer untergebracht.
Außerdem wird ein Frequenzrichter benötigt. Er sorgt dafür, dass die sich verändernde Drehzahl des Schwungrads stabil gehalten wird, um sie so an die Netzfrequenz anzupassen.

Einsatz von Schwungrädern im mobilen Bereich

Nach aktuellem Kenntnisstand können Schwungräder auch in Fahrzeugen, also als mobile Energiespeicher, eingesetzt werden. Sie sind hierbei für elektrisch betriebene Fahrzeuge geeignet, können aber nur bestimmte Anwendungen übernehmen. Dabei eignen sie sich besonders gut als Kurzzeitspeicher. Die Schwungräder können dabei die Bremsenergie nutzen, kurzzeitig speichern und diese beim Beschleunigen wieder abgeben. Insbesondere in Bussen und Straßenbahnen könnten diese mechanischen Energiespeicher deshalb positive Wirkungen hervorrufen.

Bei sehr häufigen Brems- und Beschleunigungsvorgängen nämlich sind massive Energieeinsparungen möglich. Schon seit vielen Jahren werden elektrische Fahrzeuge mit Schwungrädern erprobt. In München fahren seit 1988 und in Basel seit 1992 solche Probefahrzeuge auf den Straßen.

Mobile Speicher für stoffliche Energieträger

Im Bereich der mobilen mechanischen Speicher gibt es auch die mobilen Speicher für stoffliche Energieträger. Es handelt sich hierbei um Systeme, die einfach zu transportieren sind. Sie sind vergleichbar mit Tanks. Besonders wichtig bei diesen Energiespeichern ist eine hohe Energiedichte, die bei stationären Energiespeichern etwas außen vor bleiben kann. Grund dafür ist die Beschränkung des Gewichts auf ein Maximum, damit die Systeme auch noch transportiert werden können.

Unterscheiden lassen sich die mobilen Speicher für stoffliche Energieträger in folgende wesentliche Formen:

  • Flüssigkraftstoffbehälter
  • Erdgastanks
  • Flüssiggastanks
  • Wasserstoffdruckgasspeicher
  • Mobile Kryospeicher

Flüssigkraftstoffbehälter im Überblick

Nicht nur klassische Kraftstoffe, wie Diesel und Benzin können im Flüssigkraftstoffbehälter Platz finden, auch moderne und alternative Kraftstoffe, wie Biodiesel können diese Energiespeicher nutzen. Es handelt sich dabei in der Regel um ein- oder mehrschichtige Kunststoff-Behälter, die viele Vorteile gegenüber Stahltanks in sich bergen. Die wichtigsten Vor- und Nachteile zeigt folgende Tabelle:

Vorteile Nachteile
Hohe geometrische Freiheitsgrade bei der Formgebung Werkstoffe, wie Polyethylen (HDPE), können Kraftstoffbestandteile durch die Tankwand lassen
Erhöhtes Füllvolumen dank besserer Raumausnutzung  
Korrosionen können nicht auftreten  
Positives Verhalten im Falle von Unfällen  

Der einzige klare Nachteil, der sich bei Flüssiggaskraftstoffbehältern bietet, kann aber einfach ausgeschaltet werden, etwa durch Barriereschichten in folgenden Varianten:

Sulfonieren,
Fluorieren,
Einsatz von Mehrschichttanks,
Einsatz von Ethylenvinylalkohol (EVOH) als Barrierekunststoff

Im letzten Fall müssen EVOH und HDPE durch eine Haftvermittlerschicht miteinander verbunden werden.

Erdgastanks im Überblick

Zu den mobilen stofflichen Speichern und damit den mechanischen Speichern zählen weiterhin die Erdgastanks. Serienmäßig finden sie ihren Platz unter dem Wagenboden oder im Kofferraum eines Fahrzeugs. Erdgastanks werden sowohl für den reinen Gasantrieb, als auch für den kombinierten Benzin- und Gasantrieb eingesetzt. In beiden Fällen können sie eine optimale Raumausnutzung versprechen, obwohl sie aus Stahl oder einem Stahlkarbonfasergemisch gefertigt sind. Sie sind für Drücke bis zu 600 bar ausgelegt. Stahlflaschen sollten nicht verwendet werden, da sie ein hohes Gewicht aufweisen, was den Kraftstoffverbrauch erhöhen kann und sehr viel Platz beanspruchen.

Derzeit arbeiten Forscher daran, die Erdgasflaschen leichter zu machen, indem sie andere Materialien nutzen, wie etwa Aluminiumwerkstoffkerne oder Faserverbundwerkstoffkerne. Dadurch versprechen sie sich Gewichtsreduktionen bis zu 75 Prozent.

Flüssiggastanks im Überblick

Flüssiggase, wie Propan oder Butan und deren Gemische, werden in Flüssiggastanks gelagert. Es handelt sich hierbei meist um druckfeste Stahlbehälter mit zylindrischer Form. Verbraucher sollten hierbei auf eine Wandstärke von 3,5 mm achten. Das Fassungsvolumen liegt bei etwa 35 bis 120 Liter Flüssiggas. Die Speicherung erfolgt dabei unter einem Druck zwischen fünf und acht bar, der abhängig ist von der Außentemperatur. Für Flüssiggastanks werden verschiedene Sicherheits- und Absperreinrichtungen benötigt. Dazu zählen:

Rohrbruchventile, die die Gaszufuhr bei einer Beschädigung der Gasleitung sofort verschließen,
Schmelzlotsicherung, die im Falle eines Feuers für eine schnelle Druckentlastung sorgen,
automatische Füllbegrenzungseinrichtung, die das Volumen auf etwa 80 % senkt, um zu hohen Druck auf den Tank zu vermeiden.

Großer Vorteil von Flüssiggastanks im direkten Vergleich mit Erdgastanks ist der, dass die Formgebung weitestgehend frei ist. Außerdem können diese Tanks sowohl im Innenraum des Fahrzeugs (Kofferraum), als auch außerhalb (als Unterbauanlagen) eingesetzt werden.

Wasserstoffdruckgasspeicher im Überblick

Ebenfalls können Wasserstoffdruckgasspeicher zu den mobilen Energiespeichern mechanischer Art gezählt werden. Sie speichern gasförmigen Wasserstoff, der unter hohem Druck komprimiert wurde. In herkömmlichen Druckgasflaschen wird dieser angeboten, die allerdings nur für einen Druck von 200 bar ausgelegt sind. Für den Einsatz in Kraftfahrzeugen benötigt man jedoch einen Druck von 700 bar, so dass die Anforderungen an die Behälter deutlich steigen.

Dabei werden nicht mehr Stahltanks, sondern bevorzugt Hochdruckbehälter aus Kohlefaserverbundwerkstoffen eingesetzt. Diese sollen eine deutliche Gewichtsreduzierung mit sich bringen. Der Innentank ist dabei aus Aluminium gefertigt, um die Wasserstoffdiffussion durch die Tankwände zu vermeiden.

In der Zukunft sind weitere Verbesserungen angestrebt, wie folgende Auflistung zeigt:

Verwendung von nahtlosen Polymerkernen für eine weitere Gewichtsreduktion
Polymerkerne sollen mit Karbonkompositumwicklung ausgestattet werden, um mechanische Stabilität zu erreichen
Eine weitere Polymerlage soll angebracht werden, um den Flaschenkopf zu schützen

Mobile Kryospeicher im Überblick

Tiefkalter und verflüssigter Wasserstoff kann in Kryospeichern gespeichert werden. Dabei enthält dieser Wasserstoff eine wesentlich höhere Energiedichte als gasförmiger Wasserstoff. Es müssen jedoch Temperaturen von -253°C in den Speichern erreicht werden.  Bei den mobilen Kleinspeichern gelten folgende Voraussetzungen:

Besondere Isolierung für Temperaturhaltung vonnöten (Umkleidung mit bis zu 300 Lagen Isolierfolien)
Druckbegrenzung auf maximal 5 bar über ein Abblasventil
Abdampfverluste werden über Rückkühlsysteme verringert (Umgebungsluft wird durch die beim Erwärmen des Wasserstoffs abgegebene Energie verflüssigt)
Dadurch entsteht eine Isolierwirkung, die weitere Abdampfverluste verringert
Kühlsysteme sollten in der Isolierschicht untergebracht werden, um die Größe nicht unnötig aufzublähen