Energilagrande svänghjul med ny teknik

av Claus Laurén Forum 1995-13, sida 20-21, 19.10.1995

Taggar: Teman: svänghjulet

Claus Laurén

SVANGHJ med ny tekni Är en ekonomiskt marknadsmogen svänghjulsteknik bara bakom hörnet? Svänghjulet erbjuder nya möjligheter för vindkraft och solenergi, och lär kunna lagra hundra gånger mer kraft än ett kemiskt batteri av samma storlek. En fördel är också att svänghjulet inte tröttnar på omladdning.

n amerikansk gästföreläsare apostroferade vid ett seminarium i Stockholm för ett antal år sedan, att en av mänsklighetens verkliga ödesfrågor är problemet med energilagring. De system som vi har tillgängliga i dag är kanske inte direkt dåliga, men ändå behäftade med beklagliga brister.

Främst handlar det dels om dålig energitäthet, som ger stora och otympiga enheter för lagring, och dels om energiförluster och låg verkningsgrad. De kemiska lagringsmetoderna har negativa miljöeffekter, och de mekaniska eknikerna med t.ex. vattenmagasin eler tryckluft kräver gigantiska anläggningar för att bli ekonomiskt försvarbara.

Värmelagring i vattenmagasin, akvierer eller underjord (berg/lera) fungerar bra, men är applicerbar endast på ågkvalitativ energi, d.v.s. värme. Och det är inte värme utan elström, som är den springande punkten i dag.

Hydraulik stötesten

De senaste årens utveckling inom dels materialområdet och dels de permanenta magneternas (t.ex. neodymium / bor) område har riktat blickarna mot en teknologi, som är långt ifrån ny eller okänd. men som stupat just på materialfrågorna, nämligen svänghjulstekniken.

De svenska experimenten med svänghjulsförsedda innerstadsbussar utföll inte så väl. Idén bakom det hela var att lagra upp bromsenergi vid inbromsning och sedan växla ut den under drift. Det visade sig emellertid at 2 hydrauliken inte var tillräckligt utvecklad vid den här tidpunkten, och att funktionen av bla. den anledningen blev nedsatt.

Svänghjulstekniken har tidigare främst utnyttjats i fordonssammanhang. Det är att märka att tidigare applikationer på svänghjulsområdet har baserat sig på stora och mycket tunga hjul med en förhållandevis låg rotationshastighet.

Marknadsmässig break-even?

Av det ovan sagda framgår att svänghjulet tidigare främst har utnyttjats för direkt inlagring av mekanisk energi. Vad man har börjat intressera sig för i dag, är lagring av elenergi, som även skall tas ut i form av elström. Vid Nth Power Technologies i San Francisco finns en man, som bär det nordiskt lingande namnet Maurice E.P. Gunderson och som har ägnat sig åt just de bär frågorna.

Hans företag är ett investeringsbolag ör riskkapital i energibranschen, och här vill man satsa stort på svänghjulstekniken. Vad det hela handlar om är inte i första hand energilagring för fordon, utan lagring av billig natt-el för hushållsbruk i form av mekanisk rörelseenergi. Och fjärran är de tunga, inerta svänghjulen från bussar och tunnelbanor.

Gunderson hävdar själv att den här ekniken är “just around the corner”. Den nygamla teknologin presenteradessenaste vinter vid ett möte för Assotiation of Energy Services Professionals i Orlando, Florida. Själv bedömer

Gunderson att arbetet med svänghjulslagring har nått en nivå, där marknadsintroduktion börjar kännas aktuell. Ett flertal prototyper har redan byggts och visat sig funktionsdugliga.

Mikroteknologi

Bakom dessa tekniska landvinningar ligger ett utvecklingsarbete dels (som så ofta numera) inom rymdteknologin och dels inom elektroniken. Båda dessa sektorer har ett omättligt behov av extremt små och extremt lätta komponenter. Det är alltså materialforskningen och i främsta rummet då kompositutvecklingen, som utgör grunden för de nya svänghjulsidéerna.

Men även helt andra branscher än rymdforskningen och elektroniken har lämnat bidrag till svänghjulstekniken. Gunderson pekar själv på materialforskning inom bland annat sportsektorn, och noterar att man här har tagit fram extremt lätta och starka fibrer som möjliggör konstruktionen av starkare och — inte minst — billigare rotorer.

Då det gäller själva rotorerna så utgör den moderna fibertekniken ett slags grundbult. Det material som Gunderson själv förespråkar är kolfiber. Varför använder man då fiber och inte gedigen metall? Här är det tre aspekter som spelar in: vikten, priset och säkerhetsfrågorna.

Höghastighetsteknik

Kostnaderna behöver inte närmare kommenteras i det här sammanhanget. Det räcker med att konstatera att kolfiber är ett billigt material, och att hela

Forum nr 13/9 konstruktionen kan göras lättare och enklare tack vare den låga vikten på själva svänghjulet.

Vad som däremot är av största betydelse är de tekniska aspekterna på lättviktsrotorerna. Gunderson accelererar sin åtta tums rotor till sagolika 90 000 rpm (varv/min.). Vid sådana rotationshastigheter kan en rotor gjord av tungt metalliskt material explodera (om den inte ger sig iväg på egen hand som någotslags “flygande tefat”). På den här punkten handlar det om ett samspel mellan hög centrifugalkraft och belastning från urstarka permanenta magneter.

Ofarlig “sockervadd”

Vad händer då med den gundersonska maskinen i händelse av ett haveri? Själv förklarar han förloppet på följande sätt: om någonting skulle hända p.g.a. balansfel, materialfel eller övervarv, så inräffar följande — rotorn sprängs visserligen, men bildar inga livsfarliga projektiler som flyger omkring utan kontroll. I stälet upplöser sig det kompakta materialet i en “sockervaddsliknande” substans som inte kan ställa till med någon skada.

Svänghjulsackumulatorns funktion kan förenklat beskrivas på följande sätt. Rotorn som är liten och lätt är placerad i vacuum i ett evakuerat “hus”. Den vilar på lager av permanenta magneter (permanent magnet passive bearings). När rotorn laddas accelereras den till mycket höga varvtal. och vid urladdning utsätts den för magnetiska krafter, som — i likhet med en normal elmotor — omvandlar rörelseenergin till elström. Själva principen är som synes mycket enkel. Problemet är att få det hela att fungera på ett praktiskt/tekniskt plan, och det är på denna punkt som forskningen har hunnit ikapp idéerna.

Snabbhet, effektivitet

Vad skall då allt detta utvecklingsarbete tjäna till? I främsta rummet handlar det hela om utjämning av diskontinuiteter inom energiförsörjning Forum nr 13/9 en och -konsumtionen. En teknik av det här slaget öppnar bl.a. nya möjligheter för icke-kontinuerliga energikällor såsom vindkraft och solenergi. Ett huvudproblem med denna typ av försörjning är ju just att vinden kanske inte blåser och att solen kanske inte behagar skina just när det behövs.

En annan aspekt är de differentierade tarifferna. Det ovan beskrivna systemet öppnar möjligheter för lagring av billig natt-el, som kan tas ut under högpristid. De egenskaper hos svänghjulstekniken, som Gunderson beskriver. får en faktiskt att lyfta på ögonbrynen. Han hävdar bl.a. att svänghjulet kan lagra flera hundra gånger mer kraft än ett kemiskt batteri av motsvarand tröttnar inte på omladdning på samma sätt som batteriet.

Ytterligare en aspekt på denna lagringsform är frågan om elkvalitet. Dagens elektronik kräver elström av mycket jämn kvalitet (inga spänningsfluktuationer) och tack vare modern styrteknik uppnår man detta med svänghjulet.

Teknik som står på fyra ben

Det är främst fyra tekniska landvinningar som har möjliggjort detta 1) fiberteknike 2) magnetiska material för elgenerering utan s.k. “borstar” (en friktionsfaktor), ursprungligen

Denna sprängskiss på ett energilagrande svänghjul kommer från Volvo Aero Corp. Maurice E.P. Gundersons svänghjul är tills vidare ett så hemligt projekt att bilder inte går at uppbringa.

storlek. Och förlusterna genom friktion skall enligt samma sagesman uppgå till bara I procent per dygn.

Svänghjulet har också ett annat övertag över det konventionella batteriet, nämligen lagringshastigheten. Ett svänghjul kan accelereras på betydligt kortare tid än vad det tar att mata in elström i ett ackumulerande element. Man kan även “switcha” mellan laddning och urladdning på mycket kort tid. Och ytterligare en fördel: svänghjule framtagna för miniatyrmotorer i datasammanhan 3) billigare kraftelektronik oc 4) kompakta kontrollorgan som drar ner konstruktionens format från någonting i stil med tre bussäten till formatet av en mikrovågsugn, samt möjliggör noggrann styrning av frekvens och spänning.

I en svänghjulsackumulator av en kaffebryggares storleksordning säger sig Gunderson kunna lagra in 50 kWh, som sedan kan tas ut med en effekt av 10 kW. Den här konstruktionen är främst tänkt och avsedd för privata hushåll, d.v.s. villabruk. Och tekniken är enligt Gunderson tyst. Visserligen har ackumulatorn en omkastningsfrekvens av 1500 Hz. men det ljud som därvid uppstår kan dämpas bort.

När man studerar den här typen av nygammal teknik är det en fråga som dyker upp: hur många gamla uppfinningar har hamnat i malpåse på grund av outvecklad teknologi, inte minst på materialsidan?

Det här var fallet bl.a. med stirlingmotorn, som uppfanns i början av 1800talet, men som gjorts verkligt funktionsduglig först under de senaste åren. Den ovan ställda frågan skulle kunna bli en utmaning för en grupp av visionära utvecklingsingenjörer med goda kunskaper inom framför allt just materialforskning. 21