Schwung für die Verkehrswende

Mit seinen Frequenzumrichtern unterstützt Sieb & Meyer die Transformation in Richtung E-Mobilität. Der Multilevel-Umrichter SD2M regelt die Schwungmassenspeicher von Adaptive Balancing Power. 

Seit dem klaren politischen Bekenntnis zur E-Mobilität stellt sich immer wieder folgende Frage: Ist unser Stromnetz leistungsfähig genug, um flächendeckend rund um die Uhr eine Lademöglichkeit für Elektrofahrzeuge zu garantieren? Vor allem in Regionen mit schwacher Netzinfrastruktur wird das bezweifelt. Eine Lösung bietet hier der Einsatz eines Schwungmassenspeichers (flywheel) zur Unterstützung der Ladesäule. Dieser speichert zwischen den Ladevorgängen Strom in Form von kinetischer Energie. Diese Bewegungsenergie treibt dann beim nächsten Laden einen Generator an, der eine große Strommenge für eine zügige „Betankung“ bereitstellt. 

„Das Schwungrad ist die älteste bekannte Methode zur Energiespeicherung“, erklärt Nicolai Meder, einer der beiden Gründer der Adaptive Balancing Power GmbH. „Schon die Töpferscheibe nutzte das Prinzip, Rotationsenergie zu speichern, ebenso wie das Schwungrad. Mit unserem modernen Schwungrad-Hochleistungs­speicher Adaptive Amperage heben wir dieses Prinzip auf ein neues Leistungsniveau.“ 

Das Unternehmen Adaptive Balancing Power gründete Nicolai Meder bereits 2016 gemeinsam mit Dr. Hendrik Schaede-Bodenschatz, beide sind Experten in den Bereichen mechatronische Produktentwicklung und Energiespeicherung. Seit 2008 beschäftigt sich Dr. Hendrik Schaede-Bodenschatz mit der Technologie des Schwungmassenspeichers. 2016 starteten die beiden Gründer das gemeinsame Unternehmen mit dem Ziel, innovativen Anwendungen einen ökonomischen Mehrwert zu bieten und so über wirtschaftliche Hebel CO2-Emissionen zu reduzieren. 

Wirkungsgrad über 92 % 

Der Schwungmassenspeicher von Adaptive Balancing Power wird über einen E-Motor beschleunigt und dabei elektrische in mechanische Energie umgewandelt. Umgekehrt fungiert der Motor beim Entladeprozess als Generator, der wiederum die Bewegungsenergie in Strom transformiert. Angesteuert und betrieben werden Motor bzw. Generator über den Multi-Level-Frequenzumrichter SD2M von Sieb & Meyer. 

„Der Rotor unseres Speichers ist ein energetisch optimierter High-Tech-Hohlzylinder aus Kohlenstoffmaterial, der sich mit bis zu 18 000 Umdrehungen pro Minute magnetgelagert im Vakuum dreht“, fasst Nicolai ­Meder die Besonderheiten des Schwungradspeichers Adaptive Amperage zusammen. „Durch diese sogenannte Außenläufer-Bauform generieren wir im Vergleich zu anderen Schwungmassenspeichern nicht nur einen sehr großen Energieinhalt und eine elektrische Leistung bis 350 kW, sondern erreichen dabei auch einen Round-Trip-Wirkungsgrad von mehr als 92 %. Die hohe Leistung wiederum ermöglicht es dem Nutzer, sein Fahrzeug zügig zu laden.“ 

Weitere Vorteile des Speichers liegen in seinem einfachen modularen Aufbau, der weder Netzerweiterung noch Trafo erfordert, seiner Skalierbarkeit und einem minimalen Wartungsaufwand. Darüber hinaus lassen sich verschiedene erneuerbare Energiequellen ins System integrieren und priorisiert ansteuern. „Wir halten verschiedene internationale Patente zu Detaillösungen an unserem Schwungmassenspeicher“, erklärt Nicolai Meder. „Ein erstes Patent zur Außenläufer-Bauform hat die NASA in den ‘70ern angemeldet, nach unserem Kenntnisstand aber seitdem nicht funktional umsetzen können – genauso wie viele andere, die es auch versucht haben. Entsprechend stolz sind wir, dass wir 2013 an der TU Darmstadt erstmals weltweit gezeigt haben, dass die Technologie Außenläufer-Schwungmassenspeicher tragfähig ist.“ 

Höchste Anforderungen 

Einen nicht unerheblichen Anteil an diesem Erfolg haben die Frequenzumrichter aus der SD2M-Serie von Sieb & Meyer. Auf Basis von 16-Hz-PWM-Takt und Multi-­Level-Technologie bieten die hocheffizienten Geräte eine sehr hohe Leistung bei gleichzeitig kompakter Bauform (40 x 40 x 100 cm). „Mit der Multi-Level-Technologie erreichen wir eine präzisere Stromregelung, einen sauberen Sinus und benötigen weniger Filter“, erläutert Ralph Sawallisch, Key Account Manager Antriebselek­tronik bei Sieb & Meyer.  

„Die Verluste im Rotor sind gering und die Wärmeentwicklung ist entsprechend minimal. Letzteres ist ein entscheidender Punkt für die Funktionsfähigkeit des Speichers, denn das System arbeitet nicht nur 24/7 mit 50 bis 100 % seiner Drehzahl, sondern darüber hinaus auch magnetgelagert im Vakuum. Das heißt, die entstehende Wärme kann nur über Strahlung abgegeben werden.“ 

Der flüssigkeitsgekühlte 100 kg schwere SD2M mit DC-Einspeisung verfügt über eine Leistung von bis zu 430 kVA/500 A und ist – ebenso wie der Schwungmassenspeicher – in einem Doppelschaltschrank eingebaut. „Die große Herausforderung bei diesem Projekt waren die hohen Drehzahlen bei gleichzeitig sehr hoher Massenträgheit“, erklärt Ralph Sawallisch. „Normalerweise treiben wir große Bearbeitungsspindeln oder Turbomaschinen mit einer verhältnismäßig geringen Massenträgheit an. Die Parameter für den Betrieb des Schwungmassenspeichers waren in unserer Regelung nicht vorgesehen und haben softwareseitig einige Anpassungen erfordert.“ 

Nachhaltige Alternative 

Die Verbindung zwischen Sieb & Meyer und Adaptive Balancing Power begann bereits in der Pilotphase des Schwungmassenspeichers und besteht inzwischen seit mehr als einem Jahrzehnt. Schon damals waren die hohe Leistung der Frequenzumrichter und ihre sehr gute Effizienz entscheidend für die Kooperation. „Unser Schwungmassenspeicher basiert auf der Voraussetzung, dass wir eine hohe Leistung zur Verfügung stellen, damit Energie schnell gespeichert und abgerufen werden kann“, erklärt Nicolai Meder. „Die Frequenzumrichter von Sieb & Meyer sind dafür bestens geeignet. Darüber hinaus sind die Geräte aufgrund ihrer 3-Level-Technologie und der 16-kH-PWM-Frequenz auch hocheffizient und passen deshalb perfekt zum Anspruch unseres Gesamtkonzepts.“ 

Das steht allem voran für Nachhaltigkeit und Verlässlichkeit und wird von Adaptive Balancing Power unter dem Slogan „Green Tech Made in Germany“ zusammengefasst. „Unsere Speicher sind langlebig und enthalten keine Batteriechemie, wir stellen zuverlässig im deutschen Maschinenbau her, haben etablierte regionale Lieferketten und konkurrieren in der Beschaffung nicht mit Batterieherstellern“, resümiert Nicolai Meder. „Batterien haben zwar bezüglich der Energiemenge Vorteile, dafür sind unsere Speicher zyklenfest. Das heißt, die Kapazität ist nicht nach fünf Jahren erschöpft, sondern wir liefern 25 Jahre lang genau das, was wir versprechen.“ 

Autor: Torsten Blankenburg, CTO bei der Sieb & Meyer AG 

Bilder: Titelbild: GreenTEC Campus, sonstige ABP GmbH und Sieb & Meyer AG