Erneuerbare Energien könnten die Hauptenergiequelle der Welt sein, wenn nur jemand das Speicherproblem lösen könnte – wie kann man viel Strom kostengünstig und in großem Maßstab speichern? Batterien sind zu teuer und halten nicht lange genug. Pumpspeicherkraftwerke sind billig, aber für die meisten Standorte nicht praktikabel. Thermische Speicher sind vielversprechend, aber immer noch zu teuer oder schwer zu skalieren. Druckluft ist billig und skalierbar, aber noch nicht effizient genug (obwohl LightSail, ein neues Unternehmen, das von Peter Thiel, Vinold Khosla und Bill Gates unterstützt wird, das zu ändern hofft). Und was ist mit Schwungrädern? Der größte Anbieter, Beacon Power, ging 2011 in Konkurs.
Schwungräder könnten jedoch ein zweites Leben bekommen. Der Erfinder Bill Gray aus dem Silicon Valley hat ein neues Schwungraddesign entwickelt, das eine dezentrale und hochgradig skalierbare Speicherung für rund 1.333 Dollar pro Kilowatt ermöglicht und damit preislich mit Wasserkraft und Druckluft konkurrieren kann. Mit einem Wirkungsgrad von mehr als 80 Prozent würde es mit den besten Speichermöglichkeiten konkurrieren und mit einer 10-jährigen Garantie ausgestattet sein. Und er wäre die perfekte Ergänzung für ein netzunabhängiges Haus mit einer Photovoltaikanlage (PV), da er in der Lage wäre, sich in fünf Stunden vollständig aufzuladen – innerhalb der Ladezeit der meisten PV-Solaranlagen – und 15 Kilowattstunden Strom zu speichern, genug, um ein einfaches Haus von Sonnenuntergang bis Sonnenaufgang zu betreiben.
Gray nennt seine Erfindung Velkess (für VEry Large Kinetic Energy Storage System). Derzeit sammelt er in einer Kickstarter-Kampagne Geld für den Prototyp.
Das Velkess verbessert herkömmliche Schwungräder, indem es das natürliche „Taumeln“ einer sich drehenden Masse besser bewältigt. Herkömmliche Schwungräder sind sehr teuer, weil die Ingenieure die natürliche Drehachse des Rades auf die gewünschte Drehung des Generators ausrichten. Daher sind sie stets bemüht, das natürliche Taumeln des Rades zu minimieren, indem sie sehr teure Magnete und Lager, hochpräzise Technik und Materialien wie hochwertige Kohlefaser oder stabilen Stahl verwenden. Das Schwungrad von Beacon für die Netzspeicherung kostete satte 3 Millionen Dollar pro Megawattstunde.
Anstatt zu versuchen, das Taumeln zu bekämpfen, lenkte Gray es um, indem er das Rad in einem Kardanring aufhängte – dasselbe Konzept, mit dem ein Gyroskop funktioniert.
Der Kardanring im Velkess ist asymmetrisch, so dass die beiden Drehachsen – die Achse des Schwungrads und die des Rotors, der den bürstenlosen, induzierenden Gleichstrommotor antreibt – nicht auf derselben Ebene liegen und unterschiedliche Frequenzperioden haben. Dadurch werden die Resonanzeffekte gedämpft, die herkömmliche Schwungräder schwer zu kontrollieren machen (eine Resonanzstörung in einer der Ebenen kann sich verstärken, bis das Gerät zerbricht). Bei der kardanischen Aufhängung wird die Resonanz in einer Ebene in die andere Ebene übertragen, die bei der gleichen Frequenz nicht in Resonanz ist. Dementsprechend sind nur sehr geringe technische Toleranzen – etwa ein Sechzehntel eines Zolls – erforderlich, um das Gerät zu bauen.
Gray stützte sich auf die Pionierarbeit des Maschinenbauingenieurs John Vance, eines pensionierten Professors der Texas A&M University, der umfangreiche Forschungen zu Schwungrädern, Maschinenschwingungen und Rotordynamik durchgeführt hat. Gray reduzierte auch die Materialkosten. Anstatt das Rad aus teurem Stahl oder Kohlefaser herzustellen, fertigte Gray sein Rad aus billigem „E-Glas“-Glas – dem gleichen Material, das für Duschtüren und Angelruten verwendet wird. Da es sich um ein wesentlich flexibleres Material handelt, neigt das Glasfaserrad dazu, sich zu verformen und zu wackeln, wenn sich seine Drehgeschwindigkeit ändert.
Grays Fokus auf die Senkung der Kapitalkosten für die Speicherung, während andere Schwungradhersteller sich auf die Erhöhung der Dichte und der Erzeugungskapazität konzentriert haben, scheint sich ausgezahlt zu haben. Das Velkess könnte Strom für 300.000 Dollar pro Megawattstunde speichern, also für etwa ein Zehntel der Kosten der Beacon-Einheit, so Gray. „Ich freue mich, dass dieses Konzept an die Öffentlichkeit gelangt, denn ich glaube, dass es vielversprechend ist“, sagt Vance über das Velkess.
Grays Design macht es auch einfacher, den möglichen Ausfall der kritischsten Teile zu kontrollieren: das Rad selbst und die Lager. Da das Schwungrad ein Bündel aus Tausenden von Fasern ist, wird sich eine Faser, die bricht, einfach aus dem Bündel herauswinden, anstatt den Rest des Rades direkt zu belasten und zum Bruch zu führen. Das Schwungrad würde einfach leichtes Material „abwerfen“.
Für die Lager verwendet das Velkess „Schrägkontakt-Keramik-Hybrid“-Kugellager (Siliziumnitrid), die in einer Edelstahlschiene laufen, wobei sowohl die Lager als auch die Schublast auf Magneten schwimmen. Sollten die Lager ausfallen, würde die von ihnen erzeugte Wärme von einem einfachen Temperatursensor frühzeitig erkannt.
Beide Arten von Ausfällen könnten lange vor einem katastrophalen Ereignis leicht erkannt werden, so dass das Gerät eine Warnung ausgeben und eine Abschaltung einleiten könnte. Bei einer netzunabhängigen Abschaltung würde das Gerät so lange heiße Luft ausstoßen, bis es zum Stillstand kommt – das entspricht in etwa der Leistung eines 1.500-Watt-Haartrockners, der 10 Stunden lang läuft. Bei einer netzgekoppelten Anwendung könnte es den Strom einfach in das Netz einspeisen.
Das gesamte Gerät befindet sich in einer vakuumversiegelten Stahlbox, die ungefähr die gleiche Grundfläche wie ein Haushaltskühlschrank hat, nur etwas kürzer. Das Schwungrad selbst ist etwa 66 mal 66 Zentimeter groß und wiegt etwa 340 Kilogramm.
Es wird so optimiert, dass es eine Dauerleistung von bis zu drei Kilovoltampere bei 27 Ampere liefert, kann aber auch höhere „Stoßbelastungen“ bewältigen, die auftreten, wenn Geräte mit hohem Stromverbrauch wie Wasserpumpen und Kreissägen anlaufen. Das Gerät kann bis zu drei Kilowatt entladen, bis das Schwungrad auf seine „vollständig entladene“ Geschwindigkeit von 9.000 Umdrehungen pro Minute herunterdreht.
Gray beabsichtigt, zunächst den 48-Volt-Markt für netzunabhängige Haushalte anzusteuern, wo das Velkess einen Ersatz für typische 48-Volt-Batteriesysteme darstellen würde. Danach kämen die 240-Volt-Märkte für Privathaushalte und kleine Gewerbebetriebe, wo die Velkess als Backup für netzgekoppelte PV-Solaranlagen dienen könnte, wenn das Netz ausfällt. Schließlich hofft er, in den 600-Volt-Solaranlagenmarkt einsteigen zu können.
Velkess könnte dort erfolgreich sein, wo Beacon in mehrfacher Hinsicht versagt hat. Das letztgenannte Gerät konnte, wie die meisten seiner Konkurrenten, nur für sehr kurze Zeit große Energiemengen entladen, während Grays Gerät das Gegenteil tun würde: Es konnte stundenlang so langsam wie nötig entladen. Und während das System von Beacon so teuer war, dass es sich nur für industrielle Anwendungen eignete, wäre das von Gray billig genug, um auf dem Markt für Privathaushalte und kleine Gewerbebetriebe wirtschaftlich sinnvoll zu sein.
Darüber hinaus erfüllt das Velkess-System den letzten entscheidenden Faktor für die Skalierung elektrischer Speicher. Mehrere Einheiten können parallel miteinander verbunden werden.
Nach Angaben eines Analysten von Lux Research mit Sitz in Boston könnten Energiespeicherdienste bis 2017 weltweit einen Markt von 31,5 Mrd. USD darstellen. Wenn der Velkess-Prototyp zu dem angekündigten Preis und der angekündigten Leistung gebaut werden kann, könnte er einen großen Teil dieses Marktes erobern und das Problem der Unterbrechungen bei den erneuerbaren Energien ein für alle Mal lösen.