Schwungräder

[13er]

Eine sehenswerte ZDF-Dokumentation zu Schwungrädern, wo auch die Verwendung in Straßenbahnen, wie es heute schon in deutschen Betrieben zum Einsatz kommt, zur Sprache kommt:

Teil 1:

ZDF planet e - Die Schwung Maschine 1/2

Teil 2:

ZDF planet e - Die Schwung Maschine 2/2

[hema]

Da ist das MITRAC-System sicher die einfachere und modernere Lösung als die alte Gyro-Technik!

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Wo die Schwungräder eventuell wirklich sinnvoll eingesetzt werden könnten, wäre Kraftwerkstechnik. Eigentlich müßte eine Schwungradanlage wesentlich effizienter zur Energiespeicherung benutzt werden können als ein Pumpspeicherkraftwerk, von der landschaftlichen und ökologischen Komponente rede ich da noch gar nicht.

Apropos: Weil's gerade so schön dazupaßt.

Lithiumionen-Akkus haben doch einen Memory-Effekt
21. April 2013, 21:44


Bei den seit fast 20 Jahren erfolgreichen Lithiumionen-Akkus wurde der schleichende Kapazitätsverlust bisher ausgeschlossen - Zu Unrecht, wie sich nun zeigte
Im Unterschied zu beispielsweise Nickel-Cadmium-Akkumulatoren leiden Lithiumionen-Akkus nicht unter einem Memory-Effekt - so hieß es zumindest bisher immer. Ein Irrtum, wie sich nun herausgestellt hat: Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI und des Toyota-Forschungslabors in Japan haben bei einem weit verbreiteten Typ der Lithiumionen-Akkumulatoren doch den schleichenden Kapazitätsverlust entdeckt. Besonders relevant ist der Fund für die Elektromobilität.

Wird ein Rasierer oder die elektrische Zahnbürste immer wieder aufgeladen, bevor die Akkus leer laufen, kann sich die Vorsicht des Nutzers nachträglich rächen. Der Akku scheint sich nämlich zu merken, dass ihm immer nur ein Teil seiner  Speicherkapazität entnommen wird – und liefert irgendwann eben nicht mehr sein volles Potenzial. Fachleute sprechen dann von einem Memory-Effekt, der zustande kommt, weil die Arbeitsspannung des Akkus durch die unvollständigen Lade-/Entladezyklen mit der Zeit sinkt. Das heißt, obwohl der Akku noch Ladung hat, ist die Spannung, die er liefert, irgendwann zu niedrig, um das fragliche Gerät anzutreiben. Der Memory-Effekt hat also zweierlei negative Folgen: Zum einen wird die nutzbare Speicherkapazität des Akkumulators reduziert. Zum anderen wird die Korrelation zwischen Spannung und Ladezustand verschoben, sodass Letzterer nicht mehr verlässlich anhand der Spannung bestimmt werden kann.

Seit Langem bekannt ist der Memory-Effekt bei Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus. Bei den seit Anfang der 1990er-Jahren erfolgreich vermarkteten Lithiumionen-Akkus hatte man jedoch bisher die Existenz eines solchen Effekts ausgeschlossen. Zu Unrecht, wie die neue Arbeit zeigt.

Folgenreiche Abweichung der Arbeitsspannung

Festgestellt wurde der Memory-Effekt an einem der meistverbreiteten Materialien für die positive Elektrode von Lithiumionen-Akkus: Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4). Bei dieser Verbindung sind der nun entdeckte Memory-Effekt und die damit verbundene anomale Abweichung der Arbeitsspannung besonders folgenreich. Bei Lithium-Eisenphosphat bleibt die Spannung nämlich über einen großen Bereich des Ladezustands praktisch unverändert. Das bedeutet, dass bereits eine kleine anomale Abweichung der Arbeitsspannung als eine große Veränderung im Ladezustand missdeutet werden könnte. Oder mit anderen Worten: wenn aus der Spannung auf den Ladezustand geschlossen wird, kann hier schon durch eine kleine Abweichung der Spannung ein großer Schätzfehler entstehen.

Die Existenz des Memory-Effekts ist vor allem im Hinblick auf den zu erwartenden Einzug von Lithiumionen-Akkus in den Bereich der Elektromobilität relevant. Insbesondere bei Hybridautos, bei deren normalem Betrieb sehr viele Zyklen partieller Ladung/Entladung stattfinden, würde der Effekt auftreten. In diesen Fahrzeugen wird der Akku nämlich bei jedem Bremsvorgang durch den zum Generator verwandelten Motor aufgeladen. Entladen wird er auch meist nur partiell, etwa um den Verbrennungsmotor in Beschleunigungsphasen zu unterstützen.

In Summe relevanter Effekt

Die vielen aufeinanderfolgenden Zyklen unvollständiger Ladung bzw. Entladung können die Aufsummierung der einzelnen kleinen Memory-Effekte zu einem großen Memory-Effekt zur Folge haben, wie die neue Arbeit zeigt. Dies würde einen Fehler bei der Abschätzung des momentanen Ladezustandes der Batterie zur Folge haben, falls der Ladezustand von der entsprechenden Software anhand des aktuellen Wertes der Spannung berechnet wird.

Für die voranschreitende Anwendung von Lithiumionen-Batterien in Fahrzeugen ist mit der jüngsten Entdeckung jedoch nicht das letzte Wort gesprochen. Es sei nämlich durchaus möglich, dass der Effekt durch kluge Anpassungen der Software im Batterie-Managementsystem rechtzeitig festgestellt und berücksichtigt werden wird, betont Petr Novák, Leiter der Sektion für elektrochemische Energiespeicherung am PSI und Mitautor der Publikation. Sollte das gelingen, stünde der Memory-Effekt dem sicheren Einsatz von Lithiumionen-Batterien in Elektroautos nicht im Wege. Nun seien also die Ingenieure gefordert, den richtigen Umgang mit dem eigentümlichen Gedächtnis der Batterie zu finden. (red, derStandard.at, 21.04.2013)

Quelle: http://derstandard.at/1363708092716/Lithiumionen-Akkus-haben-doch-einen-Memory-Effekt

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Wo die Schwungräder eventuell wirklich sinnvoll eingesetzt werden könnten, wäre Kraftwerkstechnik. Eigentlich müßte eine Schwungradanlage wesentlich effizienter zur Energiespeicherung benutzt werden können als ein Pumpspeicherkraftwerk, von der landschaftlichen und ökologischen Komponente rede ich da noch gar nicht.

Ich würde es eher so sehen: Schwungräder für die kurzfristige Speicherung (Sekunden bis maximal Stunden), Pumpspeicherkraftwerke für die längerfristige. Schließlich gibt es bei den Schwungrädern, soferne sie nicht magnetisch gelagert sind, Reibungsverluste. Die magnetische Lagerung ist aber ab einer bestimmten Größe wohl nur mehr aufwändig realisierbar bzw. kostet diese dann selbst mehr Energie als sie sparen kann.

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Hängt davon ab, wie hoch der Energieverlust pro Tag der Schwungräder ist. Dort ist an Effizient sicher noch etwas herauszuholen. Der Wirkungsgrad von Wasserpumpen ist wohl eher nicht berauschend. Wenn man mit den Schwungrädern einen effizienten 12-Stunden-Zyklus zusammenbringt hat man schon gewonnen, die meisten Netzschwankungen werden ja durch den unterschiedlichen Tag-/Nachtverbrauch verursacht.

[13er]

Da ist das MITRAC-System sicher die einfachere und modernere Lösung als die alte Gyro-Technik!

Ah, danke, das sieht auch sehr interessant aus!

Der grundlegende Vorteil solcher Technologie z.B. beim ULF wäre wohl, dass die rekuperierte Energie nicht in den Abschnitt zurückgespeist wird (was ja zur "Überbrückung" von Trennern geführt hat, damit nicht alles zusammenbricht), sondern lokal im Fahrzeug gespeichert wird, bis sie wieder benötigt wird.

[95B]

Der grundlegende Vorteil solcher Technologie z.B. beim ULF wäre wohl, dass die rekuperierte Energie nicht in den Abschnitt zurückgespeist wird (was ja zur "Überbrückung" von Trennern geführt hat, damit nicht alles zusammenbricht), sondern lokal im Fahrzeug gespeichert wird, bis sie wieder benötigt wird.

Damit trotz überbrückter Trenner nicht alles zusammenbricht, braucht man nur fernsteuerbare Trenner. Einen solchen gibt es ja bereits in der Flurschützstraße beim Kabelbüro, also kann man nicht behaupten, dass man so etwas nicht beschaffen kann, nicht installieren kann oder nicht genehmigt bekommt.

Wie stelle ich mir den Vorteil fernsteuerbarer Trenner vor? Angenommen, eine Strecke gliedert sich in fünf Abschnitte A, B, C, D, E, die durch die vier überbrückten Trenner AB, BC, CD und DE miteinander verbunden sind. Jetzt passiert ein elektrischer Fehler, der das Unterwerk schmeißt. Die komplette Strecke wird abgeschaltet, die elektronische Überwachung schaltet alle Trenner aus und legt wieder Spannung an. Siehe da, im Abschnitt D wird es wieder finster, in den anderen Abschnitten bleibt die Spannung erhalten. Die Störquelle ist also im Abschnitt D. Das sehen auch die Techniker in der Leitstelle und können die Trenner AB und BC wieder einschalten.

Die Investition in fernsteuerbare Trenner sollte sich auszahlen, wenn man bedenkt, dass eine Stromstörung an strategisch ungünstiger Stelle gleich einmal mehrere Bezirke komplett lahmlegt. Man stelle sich das bloß einmal auf die U-Bahn umgelegt vor...

[Ferry]

Das sehen auch die Techniker in der Leitstelle und können die Trenner AB und BC wieder einschalten.

Das könnte eine entsprechende Technik auch alleine und gleichzeitig den Störtrupp per SMS alarmieren, dass im Abschnitt D eine Störung vorliegt. Gleichzeitig könnte ein automatischer Dispatcher, dem natürlich bekannt ist, welche Züge gerade in Richtung des gestörten Abschnittes unterwegs sind (und noch umgeleitet werden können), den Fahrern per Funk eine entsprechende Anweisung geben. Entlang der betroffenen Strecke(n) werden die Fahrgäste automatisch per Lautsprecherdurchsage und RBL auf die Störung und die voraussichtliche Dauer bis zur Behebung hingewiesen. Sobald der Störtrupp die Störung behoben hat, gibt er das an den Dispatcher weiter, welcher daraufhin automatisch die Rücknahme sämtlicher Umleitungen und eine entsprechende FG-Information veranlasst. Wie gesagt, das könnte man heutzutage alles so hinbekommen, wenn,  ja wenn unsere schöne Stadt nicht gerade WIEN hieße... 

[95B]

Ich bin davon ausgegangen, dass – aus welchen Gründen auch immer – ein automatisches Einschalten von Trenner nicht erfolgen soll, sondern dies nur nach vorheriger Kontrolle der Sachlage manuell geschehen kann.

Und bei deiner Vision zum automatischen Störungsmanagement fällt mir nur die Aufschrift der Silhouette des Karton-k5 bei der Eröffnung der alten Reichsbrücke ein: "Zukunftstraum"

[hema]

Es gibt Speisestellen und Streckentrenner, beides ein- und ausschaltbar. Speisestellen sind normalerweise eingeschaltet, Streckentrenner ausgeschaltet. Seit einiger Zeit sind viele Trenner überbrückt, dadurch blitzen sie nicht, wenn ein Zug beim Überfahren Strom aufnimmt oder rückspeist.

[Revisor]

Es gibt Speisestellen und Streckentrenner, beides ein- und ausschaltbar. Speisestellen sind normalerweise eingeschaltet, Streckentrenner ausgeschaltet. Seit einiger Zeit sind viele Trenner überbrückt, dadurch blitzen sie nicht, wenn ein Zug beim Überfahren Strom aufnimmt oder rückspeist.

Könnten wir uns auf "Trenner mit Stromlücke" und "Trenner ohne Stromlücke" einigen? Überbrückte Trenner sind nämlich etwas anderes. Und ja, ich weiß, bei der Tramway werden Trenner ohne Stromlücke immer schon als überbrückte Trenner bezeichnet. Das ist aber Nonsens.

[haidi]

Wo die Schwungräder eventuell wirklich sinnvoll eingesetzt werden könnten, wäre Kraftwerkstechnik. Eigentlich müßte eine Schwungradanlage wesentlich effizienter zur Energiespeicherung benutzt werden können als ein Pumpspeicherkraftwerk, von der landschaftlichen und ökologischen Komponente rede ich da noch gar nicht.

Ich würde es eher so sehen: Schwungräder für die kurzfristige Speicherung (Sekunden bis maximal Stunden), Pumpspeicherkraftwerke für die längerfristige. Schließlich gibt es bei den Schwungrädern, soferne sie nicht magnetisch gelagert sind, Reibungsverluste. Die magnetische Lagerung ist aber ab einer bestimmten Größe wohl nur mehr aufwändig realisierbar bzw. kostet diese dann selbst mehr Energie als sie sparen kann.

Wie groß müssten Schwungräder sein, die ein Kraftwerk überbrücken können?

[twf]

Zwei OT-Beiträge entfernt. Bitte geht respektvoll miteinander um!

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Wie groß müssten Schwungräder sein, die ein Kraftwerk überbrücken können?

Die Größe kann ich Dir nicht sagen, das hängt auch vom Trägheitsmoment und der Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrades ab. Die Rotationsenergie eines massenhomogenen Schwungrades mit Radius r und Winkelgeschwindigkeit ω ist im allgemeinen E=1/4*m*r²*ω². Was der Unterschied im Tag-Nacht-Energieverbrauch ist, weiß ich leider nicht. Vielleicht findet es jemand heraus, dann brauchst Du nur die Energiedifferenz in die Gleichung einsetzen und nach den Parametern optimieren (Energieverlust durch Wirkungsgrad kleiner 1 eventuell noch einzurechnen).

[raifort1]

im technik Magazin 'hobby' war schon in den 60 Jahren vom Girobus die Rede, quasi er sei ante portas. Ist eben eine kleine Verzögerung...