Die Hybridisierung von im öffentlichen Nahverkehr eingesetzten Fahrzeugen bietet die Möglichkeit signifikanter Treibstoff- und Emissionsreduktionen, da die Fahrzyklen gut vorhersehbar sind und häufige Brems- und Beschleunigungsvorgänge enthalten (Start-Stopp Betrieb). Der Einsatz verfügbarer elektrochemischer Speicher (Batterien, Ultracaps) zur Zwischenspeicherung der Bremsenergie ist zwar möglich, jedoch können die geforderten Leistungen bzw. die gewünschte Lebensdauer nur mit großem finanziellen Aufwand bzw. starker Überdimensionierung des Energiespeichers erreicht werden. Im Gegensatz zu den elektrochemischen Speichern bieten Flywheel-Speicher das Potenzial, eine hohe Leistungsdichte mit einer hohen Energiedichte zu verbinden. Durch den Einsatz moderner (Verbund-)Materialien sowohl im Schwungrad selbst wie auch in den Lagern können Flywheel-Speicher sehr kompakt und leicht gebaut werden. Außerdem erreichen sie bereits mit heute verfügbarer Lager-Technologie eine im Vergleich zu modernen Batteriesystemen deutlich erhöhte Lebensdauer. In dem Projekt E3ON soll die Realisierbarkeit von kompakten Flywheel-Speichern unter den in öffentlichen Nahverkehrsfahrzeugen gegebenen Rahmenbedingungen untersucht werden: Gemeinsam mit potenziellen Kunden (siehe beiliegende LOI) werden für Schienenfahrzeuge und Hybridbusse typische Lastprofile sowie extern auftretende mechanische Belastungen (Vibrationen, Fliehkräfte, ...) spezifiziert. Auf deren Basis werden die Hauptkomponenten des Systems (Schwungmasse und Lagerung, Motor/Generator, Umrichter) theoretisch und experimentell in Bezug auf Lebensdauer und Sicherheitsaspekte untersucht. Das Ergebnis der Forschungsarbeiten sind Realisierungsvorschläge für die einzelnen Komponenten sowie eine erste Abschätzung der unter den gegebenen Randbedingungen erreichbaren Lebensdauer und der Kosten. Daraus können die wichtigsten Parameter eines im Rahmen eines Folgeprojekts zu realisierenden Prototyps bzw. Vorseriengeräts abgeleitet werden, wobei speziell der erreichbare Wirkungsgrad (round-trip efficiency), der speicherbare Energieinhalt, die aufnehmbare bzw. abgebbare elektrische Leistung, die erreichbare Lebensdauer und der zu erwartende Preis von Interesse sind. Zusätzlich können die Projektergebnisse zur Beurteilung der Realisierbarkeit von noch weiter miniaturisierten Flywheel-Speichern herangezogen werden. Derartige Speicher eignen sich zum Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen des zukünftigen Individualverkehrs.
Ziel des Vorhabens ist die Erforschung und der Entwurf eines neuartigen Hybrid-Kompensators, der mehrere Systemdienstleistungen in einer einzigen Anlage vereint. Hierzu zählen u.a. die Optimierung der Erdschlussstromkompensation unter Berücksichtigung neuer Anforderungen wie die Kompensation höherfrequenter Harmonischer sowie die Stabilisierung des Netzes durch Einspeicherung und Rückspeisung von Energie bei variierender regenerativer Einspeisung. Vorgehen: Durch elektrotechnische Modellierung und Simulation eines Beispiel-Verteilnetzes werden die Anforderungen an den Hybrid-Kompensator spezifiziert. Zunächst wird ein Kleinleistungs-Laboraufbau als Plattform für die Erforschung, Implementierung und Validierung der benötigten Funktionalitäten und Algorithmen realisiert. Zeitgleich wird das Speichersystem aus RedOx-Flow-Batterie und Schwungmassenspeicher hinsichtlich Leistung und Kapazität ausgelegt. Zur Validierung der Funktionsfähigkeit im realen Netzbetrieb wird nach erfolgreicher Laborerprobung ein Feldaufbau errichtet. Der Laboraufbau wird auf Feldniveau skaliert; es werden alle Komponenten zusammengeführt und in das Netz des Verteilnetzbetreibers integriert. Das Monitoring des Feldaufbaus und seines Verhaltens unter realen Bedingungen soll Aufschluss über seine Systemeigenschaften liefern und Optimierungen ermöglichen. Kautz strebt die Analyse der wesentlichen benötigten Systemdienstleistungen am Beispiel mehrerer unterschiedlicher Verteilnetze mit hoher dezentraler, regenerativer Einspeisung an. Ebenso den Entwurf eines informations- und kommunikationstechnisch angebundenen, auf der Mittelspannungsebene wirkenden, umrichterbasierten Systems , das die zentralen Systemdienstleistungen integriert. Dabei sollen die grundsätzlichen elektrotechnischen Gegebenheiten, und vor allem deren Unterschiede, in den zu untersuchenden Verteilnetzen untersucht, abgebildet, bewertet und lösungstechnisch abgebildet werden.
