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Wann kommt das Flywheel-Hybrid-Fahrzeug?

Seit einigen Monaten beschäftige ich mich mit einem interessanten Thema, welches meiner Meinung nach den Energievebrauch von Fahrzeugen mit einfachen Mitteln deutlich reduzieren könnte. Das Schwungrad, bzw. Flywheel ist zwar eine altbekannte Technik, schon 1950 wurden in Yverdon sogenannte Gyrobusse alleine mit einem Schwungrad auf Strecken bis zu 10km Länge eingesetzt. Das Schwungrad wurde an Ladestationen in Rotation versetzt und der Bus hat danach die Energie für die ganze Strecke vom Schwungrad bezogen.

Der Gyrobus läuft wie ein Trolleybus auf Gummireifen, benötigt aber keine Oberleitung und auch keine Batterie. Die Räder werden von einem Drehstrom-Kurzschlussankermotor angetrieben, der die elektrische Energie einem mitgeführten, horizontal umlaufenden Schwungrand entnimmt.

Das heisst, man hat die Energie nicht in eine Batterie geladen mit der man dann gefahren wäre, sondern damit ein Schwungrad beschleunigt und dann von dort wieder in elektrische Energie gewandelt und verbraucht. Interessant wäre hier der Wirkungsgrad dieser Lösung zu wissen. Diese Technologie wurde schon 1978 detailliert beschrieben und in Tests als effizient bewertet.

Ein ETH Team hat 1996 zusammen mit VW in der Arbeit Entwurf zur Optimierung der Fahrstrategien für ein Personenwagen-Antriebskonzept mit Schwungradkomponente und stufenlosem Zweibereichsgetriebe nachgewiesen, dass der Treibstoffverbrauch eines Golf III mittels Schwungrad von 8,9 auf 4,5l/100km reduziert werden könnte. Immerhin der Nennverbrauch eines Toyota Prius mit aufwendiger Elektro-Hybrid-Technik.

Dabei wäre das Schwungrad sicher sinnvoller, als die ganzen Hybridfahrzeuge, die das Gewicht des Fahrzeugs dank Akkus und zusätzlichen Motoren erhöhen. Die Schwierigkeit ist aber scheinbar die mechanische Integration, da ein Schwungrad Geschwindigkeiten von bis zu 60’000 Umdrehungen pro Minute erreicht. Diese Energie muss dann entweder über ein Getriebe oder mittels Elektromotor wieder auf die Antriebsachse übertragen werden.

In der letzten Zeit hat das Schwungrad in Form von KERS ein Comeback in der Formel 1. Das KERS Systems von Williams wird schon im Porsche 911 GT3 Hybrid eingesetzt.

Vom Prinzip her ist es grundsätzlich sehr einfach, beim Bremsen wird Energie an das Schwungrad übergeben, dieses beschleunigt, und mit der Energie, die nun im mit bis zu 60’000 Umdrehungen drehenden Schwungrad ist, wird das Anfahren bzw. Beschleunigen durch einen Elektromotor unterstützt. Hier ein Video wie ein solches System von Tortrak in einem Bus funktionieren würde:

In Kombination mit der Start/Stop Automatik die bei modernen Fahrzeugen heute den Motor an Ampeln ausschaltet könnte die beim Bremsen bzw. Anhalten gespeicherte Energie einfach wieder zum Beschleunigen verwendet werden. Ich denke diese kurzen Momente an Energierückgewinnung hätten einen enormen Einfluss auf den Gesamtverbrauch.

Schaut man sich im Internet um, sieht man, dass neben Porsche auch Jaguar zusammen mit Torotrak an einem solchen System arbeitet. Erstaunlich, wie diese Technologie eigentlich schon jahrzehntelang bekannt ist, und dennoch nicht den Weg in den Massenmarkt gefunden hat. Sind es technische Hindernisse die den Masseneinsatz nicht ermöglichen oder fehlendes Interesse?

Ich bin gespannt ob der Einsatz dieser Technologie in der Formel 1 vielleicht einen entscheidenden Einfluss auf den Massenmarkt hat.

12 Kommentare

  1. Pingback: Samuel Mettler

  2. Wäre sicher im Detail anzuschauen. Dass es bis jetzt nicht verbaut wird, hat nicht unbedingt mit Machbarkeit zu tun, eher dass die Hersteller diesen wahrscheinlich relativ teuren Zubau sparen möchten (und von Kunden- und politischer Seite der Spardruck immer noch viel zu lasch ist).

    Da das Schwungrad ein gewisses Gewicht haben müsste, würde das wahrscheinlich Einfluss auf die gesamte Carosserie haben. Die Integration u Befestigung (Lager) ist wohl auch nicht ganz trivial u günstig. Dann kommen noch Zusatzaggregate für Beschleunigung u Energieaufnahme. Für ein einzelnes Prototypen Design sicher machbar; aber in der Serie…

    Das Gewicht würde mich mal interessieren. Ebenso, wie man die Kreiselwirkung von solchen Autos (wie zB das Bild v Pinto) im Griff hat?

    Gut auf jeden Fall, dass du mir diese Speichermöglichkeit mit diesem Post wieder in Erinnerung gerufen hast ;).

  3. Pingback: Peter

  4. Ob ein Schwungradantrieb bei gleicher Reichweite leichter ist als ein Elektromotor wage ich zu bezweifeln. Dafür ist ein Schwungrad vermutlich aus ökologischeren Materialien hergestellt als ein Akku und einfacher zu recyceln.

    Ich bin kein Physiker, kann mir aber ein paar Nachteile einer solchen physikalischen Energiespeicherung vorstellen. Vermutlich ist so ein Fahrzeug (je nach Lage des Schwungrades) bei Richtungswechseln ziemlich träge und bei Unfällen dürfte ein frisch aufgeladenes Schwungrad auch ganz schön durch die Gegend toben.

    Aber hey, hätten wir die letzten hundert Jahre in die Entwicklung des Schwungradantriebes investiert, dann würden wir heute über die Benzinverbrennung lachen.

  5. @souslik: Ich bin Physiker :) Ein Problem dieser Antriebe (oder Energiespeicher) ist sicherlich die Trägheit, welche die maximale Grösse eines solchen Schwungrades begrenzen. Aufgrund der Kreisel-Präzession müssen solche Schwungräder auch immer horizontal eingebaut werden, ansonsten könnte das Auto oder der Bus nicht mehr in die Kurve gelenkt werden. Beim Wikipedia-Eintrag zum Gyrobus steht auch, dass der horizontale Einbau des Schwungrades zu starken Kippbewegungnen bei Änderung der Steigung geführt hat.

    @leumund Bei der Effizienz eines Schwungrades sehe ich gegenüber Batterien/Elektromotor ein paar Probleme. Bei den Bussen, die in Yverdon fuhren, bot ein anderthalb Tonnen schweres Schwungrad genug Energiespeicher, um 6 km lang den Elektromotor zu betreiben. Wieweit könnte ein Elektrobus mit einer anderthalb Tonnen schweren Batterie gefahren werden? Sicherlich weiter als die sechs Kilometer. Ich glaube, das ist auch der Grund, wieso beim Wikipediaeintrag der Gyrobusse steht „das Prinzip bewährte sich nicht“.

    Ich denke, dass ein Schwungrad geeignet ist, kurzzeitig Energie zu puffern, so wie beim KER-System, oder bei der Installation im Flybus, die du ja beide erwähnst. Ansonsten scheint es aber so zu sein, dass Schwungrad-Speicher nur in Nischen erfolgreich angewendet werden können, z.B. auch als Pufferspeicher für Kraftwerke.

    Gerade für den öffentlichen Stadtverkehr scheint mir die Variante, Energie in Ultra-Kondensatoren zu speichern so wie im Capabus erfolgsversprechender (und evtl. auch sicherer, wie souslik angesprochen hat).

  6. @habi @souslik @samuel
    Danke für eure Kommentare und Ergänzungen. Ich denke ja nicht, dass es wirklich Sinn macht Energie für 6 Kilometer mitzuführen, sondern eher dass das Schwungrad im Sinne eines KERS vorallem punktuell Energie zwischenspeichert. Gerade beim Beschleunigen benötigt ein Auto viel mehr Energie und dort könnte dann Bremsenergie sofort wieder umgewandelt werden. Ich denke einfach, dass mit dem Flywheel ein effizienteres System integriert werden könnte als mit einer Elektrohybrid Technik und damit ca. 15-20% Treibstoff gespart werden könnte.

  7. @leumund: Auch wenn ich ein Schwungrad in meinem Auto toll fände (hätte ich denn eines), glaube ich, dass die Entwicklung mit Hochleistungs-Kondensatoren und anderen elektrischen Speichern solche Ideen schnell obsolet macht. Ich hab‘ das Gefühl mit leistungsfähigen elektrischen Speichern ist es einfacher möglich kurzzeitige Energiespitzen zwischenzuspeichern und wieder abzurufen als mit einem mechanischen Schwungradspeicher.
    Wenn es sich aber um flachere und längere Energieüberschüsse handelt, kann ich mir schon vorstellen, dass ein Schwungrad eine gute Lösung sein kann, aber dann eben eher im stationären Einsatz, wo auch die Dimensionierung der Halterung, etc. einfacher zu lösen sind als in einem Fahrzeug…

  8. Das Schwungrad ist sehr interessant. Durchsetzen wird sich vermutlich früher oder später ein System zur Nutzung der Bremsenergie… Hoffentlich!

  9. Dein Projekt hoert sich hoechstinteressant an, wirklich. Findest Du nicht irgendwo eine Finanzierung dafuer? Es ist wirklich Schade so gute Ideen versteckt zu halten ..

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