Ganzheitlicher modellbasierter Entwurf von kinetischen Energiespeichern in Außenläuferbauform

Von:

Maximilian Johannes Schneider

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Die Energiewende kann ohne elektrische Speicher zur Stabilisierung des Stromnetzes nicht gelingen. Kinetische Energiespeicher haben heute bereits Relevanz als USV-Systeme oder zum Zweck der Regelleistungsbereitstellung. Die Bauform des Außenläufers kommt jedoch bisher nicht zum Einsatz und wird selbst in der wissenschaftlichen Literatur wenig diskutiert. Diese Bauform verspricht jedoch höhere Energiedichte und geringe Verluste. Um das komplexe Zusammenspiel der in diesen hochintegrierten Systemen beteiligten Komponenten und Domänen beherrschbar zu machen, sind domänenübergreifende, modellbasierte Auslegungsmethoden in Verbindung mit mathematischen Optimierungsansätzen notwendig. Auf Basis des V-Modells der Mechatronik wird ein auf kinetische Energiespeicher in Außenläuferbauform zugeschnittenes Vorgehen entwickelt und die für den Systementwurf benötigten analytischen Komponentenmodelle formuliert und sowohl mit Finite-Element-Analysen als auch mit Messungen an einem Prototyp validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass mit den analytischen Modellen eine ausreichend genaue Modellierungsgüte erzielt werden kann, die kaum von Finite-Elemente-Berechnungen abweicht. Im Vergleich zu diesen weisen die analytischen Berechnung jedoch eine um mehrere Größenordnungen geringe Rechenzeiten auf. Die validierten Modelle werden in eine Optimierungsumgebung eingebunden. Beispielhaft wird das Entwicklungspotenzial des Prototyps untersucht und es kann aufgezeigt werden, dass um 39% höhere Energiedichte oder um 16% niedrigere Verluste erzielbar sind. Weitere Untersuchungen belegen das erhebliche Potenzial der Bauform. Insgesamt bestätigen die Untersuchungen, dass die vorgeschlagene, integrale Vorgehensweise erhebliche Synergieeffekte nutzbar macht.