Dr.-Ing. Siegfried Müller

 

Schwungrad-Energiespeicher

gestern, heute und morgen

26.06.2002

 

Die immer noch zunehmende Mobilität der Bevölkerung, überwiegend mit Hilfe des eigenen PKW, hat die allseits bekannten und gehaßten Zustände zur Folge, die heute das Straßenbild der Städte vorzugsweise zur rush-hour morgens und abends aber auch häufig ganztags kennzeichnen: Mit vorwiegend PKWs verstopfte und mit Motorenlärm erfüllte Straßen, insbesondere an den Knotenpunkten des Verkehrs in den Stadtzentren. Die dadurch nicht nur für den betroffenen Bürger sondern für die gesamte Volkswirtschaft und unsere Umwelt entstehenden Schäden sind immens. Beispielsweise sind etwa drei Viertel der Kohlenmonoxid und Stickoxid-Belastungen auf den Verkehr zurückzuführen.

Diese Situation und ständig steigende Energiekosten haben dazu geführt, dass schon etwa 50 Jahre zurückliegende Versuche zur Ausnutzung von in rotierenden Kreiseln gespeicherter Energie auf Fahrzeugen in jüngster Zeit wieder aufgegrifen und mit heute zur Verfügung stehenden vervollkommneten technischen Lösungen zur Erprobung und Anwendung gebracht worden sind. Die jetzt vorgegebenen Zielvorstellungen und Einsatzfälle unterscheiden sich von den damaligen Lösungen, weil heute andere Prämissen gelten und andere Schwerpunkte gesetzt werden.

Ausgehend von der Beschreibung der damaligen Technik und deren Einsatz auf Bussen und Bahnen werden anschließend die heutigen Lösungen und deren Erprobung beschrieben.

Das Gyro-System der Maschinenfabrik Oerlikon in der Schweiz war eine unmittelbar nach Ende des 2. Weltkrieges entwickelte Lösung, mit elektrisch angetriebenen und auf Fahrzeugen mitgeführten rotierenden Energiespeichern die unmittelbare Energieversorgung von Schienen- und Straßenfahrzeugen vorzunehmen. Der damalige Mangel an Batterien für Akkufahrzeuge, die Rohölknappheit und Buntmetallengpässe für Fahrleitungen waren Gründe, mit einer solchen Technik diesem Mangel brauchbare Anwendungen entgegensetzen zu können.

Das Gyro-System bestand aus einem Rotor aus Stahl bis zu 1 ,5m Durchmesser, mit dem direkt eine Drehstrom- Asynchronmaschine verbunden und mit diesem in einem gasdichten Gehäuse angeordnet war. Von der Drehstrommaschine wurde der Rotor auf 3000 U/min beschleunigt und diente dann als Energielieferant für die Fahrmotoren der Fahrzeuge, bis seine Drehzahl auf etwa die Hälfte abgesunken war. Mit Polumschaltungen und Regelung der Generatorerregung mittels Kondensatoren wurde vom Fahrzeugführer der jeweils erforderliche Bedarf an Antriebsenergie per handbetätigten Fahrschalter abgerufen. Nach Werksversuchen mit einem Schienentraktor wurde ein Bus ausgerüstet, der zum >Aufladen< des Gyros >Energietanksäulen< erhielt, an denen er mit Stromabnehmern andockte. Der Aufladevorgang erforderte 30 bis 40 Sekunden und fand im Rahmen der Haltestellenaufenthalte etwa jeden Kilometer statt. Nach erfolgreichen planmäßigen Versuchsfahrten in verschiedenen Städten wurde im September 1953 in Yverdon ein regulärer Gyrobusbetrieb auf einer Streckenlänge von 4,5 km aufgenommen. Weitere Anwendungen erfolgten mit Schienenfahrzeugen im Rangierdienst und im Bergbau, wobei hier besonders der Ersatz der Fahrzeugbatterien und der problemlose Schlagwetterschutz der Energieversorgung und des Antriebes beim Einsatz unter Tage vorteilhaft erschienen.

Die allgemeine Erholung der Volkswirtschaft und der Wegfall der Zwangsbewirtschaftungen ließen jedoch rein ökonomische Gründe wieder in den Vordergrund treten, worauf diese aufwendige Technik keine Zukunft mehr hatte.

Mit anderen Vorgaben und unter veränderten wirtschaftlichen Prämissen wurden die Oerlikoner Arbeiten Ende der 80er Jahre wieder aufgegriffen. Jetzt ging es nicht mehr darum Fahrzeugantriebe mit im Schwungradspeicher gespeicherter Energie zu speisen , sondern Lösungen für einen umweltfreundlichen und energiesparenden Betrieb von Bussen im ÖPNV zu entwickeln.

Die Magnet Motor GmbH in Starnberg. konstruierte unter Einsatz hochfester Kohlefaser- Werkstoffe für das Schwungrad und Magnet Motoren spezieller Bauart einen Magnetdynamischen Speicher, der gegenüber dem Stahlkreisel mit vierfacher Drehzahl (12’000 U/min) betrieben wird und dementsprechend wesentlich kompaktere Lösungen erlaubt. Mit elektronischer Regelungstechnik werden dabei die unterschiedlichen Ausgangswerte dieser Energiequelle den Erfordernissen des Betriebseinsatzes angepaßt. Wie beim früheren Gyroantrieb arbeiten auch beim MM-Konzept Motor/Generator des Schwungradspeichers und Antriebsmotoren in gleicher Bauart zusammen, hier jedoch als Synchronmaschinen in Permanentmagnet-Ausführung mit Außenläufer. Der Rotor mit den Dauermagneten dreht sich außen um den innenliegenden Stator.

Das MM-System soll sowohl energietechnische als auch umweltfreundliche Vorteile erbringen indem auf Dieselbussen mit elektrischem Antrieb eine Reduktion der Dieselmotorgröße, der Betrieb des Diesels im günstigen Kennfeldbereich, die Rückgewinnung von Bremsenergie und die Möglichkeit für zeitweisen rein elektrischen und damit emissionsfreien Betrieb möglich ist.

1988 wurden in München zwei Linienbusse versuchsweise auf elektrischen Antrieb mit MM-Motoren umgerüstet. Die Leistung des Dieselmotor-Generatoraggregates zur Speisung der Fahrmotoren konnte durch den zusätzlichen Einsatz des Magnetdynamischen Speichers (MDS) um etwa 40% reduziert werden, weil der MDS hauptsächlich beim Beschleunigen Zusatzleistung liefert und beim Bremsen wieder aufgeladen wird. Zum Passieren von Fußgängerbereichen kann der Bus, allein vom MDS gespeist, abgasfrei und geräuscharm fahren. Das gleiche System wurde auch in Bremen erprobt. Mit diesen Bussen wurde bis zu 35% Energieeinsparung erzielt.

Analog zum Diesel-Elektrospeicherbus wurden auch O-Busse mit magnetdynamischen Speichern ausgerüstet. Hierbei ist die Reduktion der Eingangsleistung aus der Fahrleitung und deren Dimensionen, die Netzentlastung, die Nutzbarmachung der Bremsenergie und die Möglichkeit kurzzeitiger Fahrt ohne Fahrleitung als Vorteil zu bewerten.

Bei den Basler Verkehrsbetrieben sind 12 O-Busse seit 1992 mit MDS-Speicher im Liniendienst.

Auch für den Einsatz auf dieselelektrischen Schienenfahrzeugen werden von der Bahn AG Anwendungsfälle für Energiesparmaßnahmen untersucht und realisiert. Für den im Jahre 2000 erstmals vorgeführten Gliederzug LlREX von Alstom LHB und Fahrzeugtechnik Dessau entwickelte das Wissenschaftlich-Technische Zentrum für Motoren- und Maschinenforschung, Rosslau (WTZ) ein Schwungradspeichersystem mit scheibenförmigem Schwungrad auf Graphitfaserbasis. Die maximale Drehzahl des Schwungrades beträgt 25’000 U/min. Das gesamte System hat eine Masse von ca. 1000 kg. Motor/Generator und Fahrzeugmotoren arbeiten nach dem Synchronprinzip.

Auf dem LlREX soll die Möglichkeit der Energieeinsparung und der Reduzierung der Dieselmotorgröße erprobt werden. Weitere Anwendungsfälle auf Schienenfahrzeugen werden untersucht.

Ob der zusätzliche Investitionsaufwand für die Installation solcher Aggregate ökonomisch sinnvoll ist und der ökologische Vorteil auch bei negativer Kosten- Nutzenrechnung den Einsatz von rotierenden Energiespeichersystemen rechtfertigen wird, muß die Zukunft zeigen.

 

 

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