TU Dresden baut Schwungradspeicher für Windkraft

Ein Forscherteam der Technischen Universität (TU) Dresden hat einen Schwungradspeicher mit einer Kapazität von 500 Kilowattstunden (kWh) und einer Leistung von 500 Kilowatt (kW) gebaut. Nach Angaben seiner Erbauer ist er damit fünfmal größer als bisher übliche rotationskinetische Speicher (RKS). „Ziel war es, einen Energiespeicher zu entwickeln, der direkt neben einem Windrad errichtet werden kann. Hierfür war es notwendig, völlig neue Anforderungen an das Speichersystem zu stellen und Grenzen der Technologie zu erweitern“, erklärt Projektleiter Thomas Breitenbach.

Bekannte Technik in neuer Dimension

Die Technologie beruht auf einem altbewährten Prinzip: Beim Aufladen versetzen Elektromotoren Schwungräder in Drehung, beim Entladen fungieren die Motoren als Generatoren, um Strom zu erzeugen. Dabei nutzen sie die gespeicherte Rotationsenergie und bremsen die Schwungräder somit wieder ab.

Fahrer von Elektro-Autos mit Bremskraftrückgewinnung kennen das Prinzip – oder zumindest seine praktische Auswirkung: Auch hier wird beim Bremsen der Elektromotor zum Generator umfunktioniert, um Strom zu erzeugen und den Akku ein Stück weit wieder aufzuladen. Die dafür nötige Energie kommt aus dem Schwung des fahrenden Autos.

Bewährt als Momentan-Reserve

Als Vorteile von stationären Schwungradspeichern gelten ihre Langlebigkeit und ihre hohe Effizienz: Kurzfristig können rund 95 Prozent der gespeicherten Energie zurückgewonnen werden. Verluste treten vor allem durch Reibung auf. Um den mechanischen Widerstand zu minimieren, befinden sich die Schwungräder normalerweise in einem Vakuum, dennoch entlädt sich ungenutzte Energie relativ schnell.

Aus diesem Grund sind RKS nicht als Langfristspeicher nutzbar. Umso besser eignen sie sich für die sogenannte Momentanreserve, das heißt, um Schwankungen in der Netzfrequenz blitzschnell auszugleichen.

Kein Ersatz für entfallende Großturbinen

Solche Frequenzschwankungen sind ganz normal. Sie resultieren zum Beispiel aus Aktivitäten von Großverbrauchern – also etwa, wenn ein Industriebetrieb eine Produktionsstraße hoch- oder runterfährt oder ein Stadionbetreiber das Flutlicht ein- oder ausschaltet. Sie entstehen aber auch in Wind- oder Solarparks, wenn der Wind auffrischt oder abflaut oder Wolken vor der Sonne herziehen.

RKS sind prädestiniert um solche Schwankungen kurzfristig auszugleichen, um größeren und trägeren Speichern die nötige Reaktionszeit zu geben, weil die Energie binnen Sekundenbruchteilen aufnehmen und wieder abgeben können. Die Rotationsmasse, die nötig ist, um das Stromnetz stabil zu halten, kommt bisher in hohem Maße aus den rotierenden Teilen der Turbinenstränge konventioneller Kraftwerke.

Einspeisung von Windstrom glätten

Breitenbachs Team setzt allerdings an einer anderen Stelle an: Die RKS der TU Dresden sollen in Kombination mit Windkraftanlagen eingesetzt werden. Sobald die angeschlossene Anlage Strom produziert, werden die Schwungräder beschleunigt. „Ist die Nenndrehzahl erreicht, ist der Speicher voll“, erklärt Breitenbach. Nach ersten Berechnungen würden die Schwungräder dann ohne weitere Energiezufuhr nach einem knappen Tag stehen bleiben: „Allerdings kann die Nenndrehzahl mit minimalem Energieeinsatz gehalten werden.“

Sobald nun die Einspeisung der Windkraftanlage sinkt, weil der Wind abflaut, springt der RKS ein und entlädt die gespeicherte Energie als Strom ins Netz, um die Einspeisung möglichst konstant zu halten. Frischt der Wind wieder auf und beschleunigt die Rotoren des Windrads, sollen die Schwungräder wieder auf Nenngeschwindigkeit gebracht werden.

Technisch ist es zwar bereits mit existierenden RKS möglich, solche produktionsseitigen Schwankungen aus Windkraftanlagen zu puffern. Bisher sei es aber für die Betreiber nicht wirtschaftlich, weil viele kleine Einheiten installiert werden müssten, sagt Breitenbach. Genau das will sein Team mit dem Riesen-RKS ändern.

Rotationsspeicher als Teil der Kreislaufwirtschaft

Eine der Herausforderung, erklärt Breitenbach dem en:former, sei die Konzipierung der Schwungräder selbst gewesen. Denn mit ihrer Größe wachsen auch die Fliehkräfte, die durch die Rotation entstehen. Jedes der beiden Schwungräder in der Dresdner Demonstrationsanlage wiegt 20 Tonnen. Viele, vor allem kleine RKS werden mit Rotoren aus relativ leichten Faserverbundwerkstoffe verwendet. Um auf die gewünschte Speicherkapazität zu kommen, müssen sie sich umso schneller drehen.

Sein Team habe sich bewusst dagegen entschieden, sagt Breitenbach, weil Verbundstoffe vergleichsweise schwer zu recyceln seien: „Im Sinne der Kreislaufwirtschaft haben wir einen Werkstoff gewählt, der einfach und vollständig wiederverwertbar ist: eine besondere Stahllegierung, die den enormen Fliehkräften standhält.“

Wirtschaftlichkeit in Windparks auf dem Prüfstand

Viereinhalb Jahre haben Planung und Bau des 500-kW-Schwungradspeichers gedauert. „In der aktuellen Phase geht es darum, die optimale Betriebsführung inklusive der Funktionalität im Netzbetrieb zu untersuchen“, berichtet Breitenbach.

Ob es sich tatsächlich für Stromerzeuger lohnt, ihre Windkraftanlagen mit solchen RKS auszustatten, sei allerdings noch nicht absehbar, sagt Breitenbach: „Das untersuchen wir in den kommenden drei Jahren in dem im Oktober 2021 gestarteten Folgeprojekt.“