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Umweltfreundliche Kostensenker: Schwungmassenspeicher als Energiesparer

Schwungmassenspeicher können mehr als nur unterbrechungsfreie Stromversorgung. Das prämierte Münchener Start-up Gerotor entwickelte daraus intelligente Hochleistungs-Schwungmassenspeicher. Ergebnis: Kostenreduktionen durch Spitzenlast-Management und Stromverbrauchssenkungen durch Rekuperation.

Energieeinsparungen in der Produktion Bildquelle: © Gerotor GmbH

Die Industrie in Deutschland ist unter allen Sektoren derjenige Sektor mit dem höchsten Stromverbrauch. Mit rund 230 Terrawattstunden macht ihr Bedarf knapp die Hälfte (2018: 47 Prozent) des gesamten Verbrauchs aus. Maßnahmen zur Reduktion lohnen sich daher insbesondere bei industriellen Prozessen. Nach wesentlichen politischen Weichenstellungen wie dem Pariser Klimaabkommen zielen Vorgaben und Richtlinien auf nationaler und internationaler Ebene darauf ab, dieses Einsparpotenzial in der Industrie zu nutzen.

Gerotor HSP Bildquelle: © Gerotor GmbH

Der Gerotor HPS ist ein elektromechanischer Ultrakurzzeitspeicher, der mit höchster Effizienz elektrische Energie, Kosten und Emissionen bei dynamischen Prozessen einspart (Energierückgewinnung).

Zu den Vorgaben für Unternehmen gehören daher der Einsatz von Energiemanagementsystemen nach ISO 50001 nebst dem Nachweis ihrer Wirksamkeit in Form von Effizienzsteigerungen nach ISO 50003 sowie die Umsetzung von Ökodesignanforderungen für elektrische Antriebssysteme im Niederspannungsbereich nach der europäische Norm EN 50598.

Viele Faktoren beeinflussen den Umgang der Unternehmen mit Strom und Energieeffizienz. Die Energiewende hat zu Änderungen im Strommix und im Verbraucherverhalten geführt. In die Stromnetze wird ein stetig wachsender Anteil an Energie aus erneuerbaren Quellen eingespeist. Deren Volatilität bewirkt erhebliche Belastungen im Netzbetrieb und kann durch schlechte Stromqualität elektronische Komponenten beschädigen oder zum Netzausfall führen. Im produzierenden Gewerbe können die Energiekosten bis zu zehn Prozent der gesamten Produktionskosten ausmachen – in energieintensiven Industrien sogar bis zu 40 Prozent.

Zudem veranlassen steigende Strompreise die Unternehmen zum effizienten Einsatz der bezogenen Energie. Hohe Stromkosten können durch gezieltes Kappen von Lastspitzen deutlich gesenkt werden. Dabei bleibt jedoch erhebliches Potenzial ungenutzt. Mit etwa 70 Prozent entfällt der Großteil des industriellen Verbrauchs auf elektrische Antriebe und Motoren, die unter anderem Industrieroboter, Servopressen, CNC-Anlagen, Regalbediengeräte, Aufzüge oder Kräne bewegen.

Die meisten dieser Maschinen und Anlagen sind rekuperationsfähig und ermöglichen somit beim Abbremsen die Umwandlung der Bewegungsenergie in elektrische Energie. Da die Motoren in diesen Anwendungen permanent zwischen Abbremsen und Beschleunigung wechseln, müssen die Energiespeicher kurzfristig ein hohes Leistungsvermögen aufweisen. Bremsenergie kann daher nur von extrem zyklenfesten und leistungsstarken Energiespeichern genutzt beziehungsweise rekuperiert werden. 

Schwungmassenspeicher (engl. Flywheel Energy Storage Systems, kurz FESS), aus der Formel 1 auch als KERS bekannt, weisen die passenden Eigenschaften für diese Anwendungen auf. Die Technologie beruht auf elektro-mechanischen Kurzzeitspeichern, die nach dem Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses arbeiten und Energie in rotierenden Massen speichern. Sie bestehen aus einem integrierten High-Speed-Elektromotor, der sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben wird. Durch die Rotation wird Strom kinetisch gespeichert, weshalb Schwungmassenspeicher auch als kinetische Batterie bezeichnet werden. Der Speicher kann die elektrische Energie für den angeschlossenen Verbraucher, in der Regel Antriebsmotoren, liefern. Dabei ermöglicht er eine hohe Leistungsabgabe für kurze Zeiträume; innerhalb von Millisekunden wird volle Leistung typischerweise für etwa ca. 30 Sekunden erbracht. Je höher und je häufiger die Lastzyklen, desto effizienter ist das System.