Nyt materialedesign skal gøre det muligt for svinghjul at lagre hidtil usete mængder af energi
Overskudsstrøm fra vores vindmøller og solceller skal i fremtiden opbevares i kæmpestore og lynhurtige svinghjul lavet af smarte kompositmaterialer. Det er ambitionen i et nyt projekt, og danske virksomheder forbereder sig på at sætte opfindelsen i produktion.
Hele verden venter på nye løsninger, der skal gøre det muligt at lagre overskydende energiproduktion fra for eksempel vindmølleparker og solcelleanlæg. Det er nemlig en af den grønne omstillings helt store hurdler at finde ud af, hvordan vi undgår at sende strøm ud i den blå luft, når det blæser, og hvordan vi sikrer os adgang til en vedvarende og stabil forsyning, når vinden står stille.
Derfor vil en kreds af danske forskere og virksomheder nu realisere drømmen om en ny type svinghjul, der kan fungere som et supplement til traditionelle elektrokemiske batterier og lagre store mængder af strøm som bevægelsesenergi (kinetisk energi).
”Vi har en klar forventning om, at vores teknologi kan komme til at spille en vigtig rolle i fremtidens energiforsyning. Vores modeller viser, at vi med vores design kan lave et svinghjul, der er væsentligt stærkere og mere pålideligt inden for den samme størrelse. Det gør det muligt at lagre store mængder af strøm på en sikker måde,” siger Michal Budzik, lektor ved Institut for Mekanik og Produktion, Aarhus Universitet.
Et effektivt alternativ til batterier
Mihcal Budzik og hans forskerkollegaer har i flere år beskæftiget sig med design og modellering af højteknologiske svinghjul på et teoretisk niveau. Deres idé er at kombinere nye nanomaterialer, glasfiber og kulfiber i et innovativt geometrisk mønster, der skal gøre det muligt at opnå en meget høj grad af styrke og fleksibilitet i svinghjulets konstruktion.
“Vi kan bevise, at vi ved at kombinere forskellige materialer kan lave en helt ny type svinghjul der kan rotere hurtigere og dermed lagre større mængder af energi i længere tid, end det er muligt i dag. Men vi ved endnu ikke, hvor stort vores potentiale er. Det kræver et højt niveau af sikkerhed at arbejde med så stærke kræfter, og vi har derfor brug for nye og mere præcise metoder til at forudsige, hvad svinghjulets konstruktionen kan holde til, og hvor grænsen for energilagring går,” siger Michal Budzik.
En af fordelene ved det nye svinghjul er, at det kan kobles på vores elnet, hvor det kan frigive energien hurtigt i store mængder og reagere fleksibelt på vores efterspørgsel.
Desuden kan det produceres, så det ikke belaster miljøet, og dermed blive et både effektivt og bæredygtigt alternativ til de elektrokemiske batterier, vi bruger i dag
Tiltroen til forskernes teoretiske arbejde med svinghjulet er så stor, at Innovationsfonden nu investerer 15 millioner kroner i udviklingen af en færdig fysisk prototype. Planen er, at projektets industrielle parter derefter kan lægge grundstenene til en global produktion.
Svinghjul i højteknologisk version
Svinghjul eller Flywheel Energy Storage (FES) – har været kendt i mange år, og teknologien benyttes allerede herhjemme på for eksempel hospitaler til a dække det hul på få minutter, der kan opstå ved et strømsvigt, indtil dieselgeneratoren kommer i gang.
Princippet bag et svinghjul er, at en tung cylinder holdes svævende i beholdere med vakuum ved hjælp af et magnetfelt.
Ved at tilføre kraft i form af energi fra for eksempel vindmøller skubbes svinghjulet i gang. Så længe hjulet roterer, holder det på energien og kan på den måde fungere som en slags batteri.
Energien i svinghjulet kan derefter omsættes til for eksempel elektrisk energi, når der er brug for det i elnettet.
Fordi svinghjulet svæver på magnetiske lejer og uden luftmodstand har det et minimalt energitab.
Forskerne fra Aarhus Universitet vil lave et svinghjul, der kan rotere meget hurtigt og på den måde opbevare meget mere energi i meget længere tid.
Det kræver en konstruktion, der kan holde til kæmpestore belastninger.
Derfor er stål ikke et egnet materiale, og forskerne arbejder derfor i deres modeller af svinghjulet med glasfiber, kulfiber og nye nanomaterialer vævet sammen i et særligt geometrisk mønster.
Global efterspørgsel på teknologi
Når man vil have et svinghjul til at rotere så hurtigt, som de danske forskeredrømmer om, kræver det både en unik materialesammensætning og en særlig ydre konstruktion, der ikke kollapser under påvirkningerne fra træk og tryk.
Det er en stor ingeniørmæssig udfordring, og derfor samarbejde de med nogle af verdens førende virksomheder på området.
”De svinghjul, vi kender i dag, har nogle iøjnefaldende begrænsninger i forhold til både kapacitet, effektivitet og ydeevne. I vores projekt vil vi benytte os af smarte materialer og smarte produktionsprocesser til at lave en helt ny type svinghjul, der kan rotere friktionsløst med en væsentlig højere fart og på den måde gemme meget mere energi og samtidig tilpasse sig præcist til udbud og efterspørgsel i elnettet,” siger Martin Speiermann, CEO i WattsUp Power.
Selve fuldskala-fremstilling af det nye svinghjul skal ske i samarbejde virksomheden Space Composite Structures. Målet er at skabe en smart, digitaliseret produktion med et minimum af arbejdsgange og med materialer, der kan adskilles og genbruges.
”Vi vil gerne producere kompositstrukturen til svinghjulet i blot enkelt proces, og hvis det lykkes, er det et ingeniørvidenskabeligt gennembrud. Så tror jeg, at vi står med en opfindelse, der kan generereglobal efterspørgsel og dermed komme til at skabe markante forandringer i vores energisystem” siger Michal Budzik.
Kontakt:
Michal Kazimierz Budzik, lektor, Institut for Mekanik og Produktion