Energieeffiziente Hydrospeicher

Ohne grundlegende Neuentwicklungen können Aggregate, Maschinen und Anlagen energieeffizienter, leistungsfähiger und sicherer werden. Hydrauliksysteme mit intelligenten Speicherlösungen sind der Schlüssel dafür. Doch urteilen Sie selbst.

Die Rückgewinnung von kinetischer und potenzieller Energie bei wiederholten Bewegungen ist in vielen Antriebslösungen der Schlüssel zum Energiesparen. Hydrospeicher bieten eine ausgereifte Technik, um die Energie einer Hubbewegung, einer oszillierenden Bewegung oder eines Bremsvorgangs aufzunehmen. Für weitere Prozesse, etwa die Betätigung von Hydraulik-zylindern oder -motoren, steht diese dann unmittelbar wieder zur Verfügung. Durch solche Speicher kann die Hydraulik seit Jahrzehnten ein Problem lösen, an das sich die Elektrotechnik durch spezielle Kondensatoren und Akkumulatoren in E-Hybridantrieben langsam mit kostenintensiven Sonderprodukten heranwagt.
Doch Hydrospeicher können noch mehr: Sie bieten Leistungsreserven und erlauben so eine kompaktere Dimensionierung von Aggregaten mit reduzierter und optimierter elektrischer Anschlussleistung. Sie können beispielsweise dämpfen und bremsen und unabhängig von der Stromversorgung Kräfte für Sicherheitsfunktionen vorhalten.
Bolenz & Schäfer (BSD) verfügt über mehr als ein halbes Jahrhundert Erfahrung bei der Realisierung von Hydrospeicher-Lösungen. Die Firma mit rund 100 Mitarbeitern gehört zu Roth-Industries, einem inhabergeführten Familien-Unternehmen mit weltweit über 1000 Mitarbeitern in den Bereichen Maschinen- und Aggregatebau sowie Gebäude- und Kunststoff-Technik.

Skalierbar, flexibel, leistungsfähig

Ein Schwerpunkt von BSD aus dem hessischen Biedenkopf sind Hydrospeicher, die je nach Aufgabe konfiguriert und eingesetzt werden. Blasen- und Membranspeicher stehen nur mit festgelegtem, begrenztem Volumen und Vorspanndruck zur Verfügung. Ihr Vorteil liegt in der besonders einfachen Konstruktion, einer Hysterese gegen Null und der extrem schnellen Reaktionszeit durch die geringe Masse von Blase beziehungsweise Membrane. Sie eignen sich daher besonders zur Dämpfung von Pulsation, kurzhubigen, hochfrequenten Schwingungen und Druckspitzen sowie um den Druck in einer Anlage mit abgeschaltetem Aggregat aufrecht zu halten.

Hydrospeicheranlage im Ferrari-Themenpark in Abu Dhabi mit 45.000 Liter und einer Leistung von 17,5 Megawatt.

Kolbenspeicher von BSD sind praktisch in jeder Größe zwischen 0,1 bis 1500 l maßgeschneidert lieferbar. Durch nachgeschaltete Gasbehälter lässt sich die Kapazität bei geringem Aufwand noch deutlich erhöhen. Kolbenspeicher sind in beliebiger Zahl koppelbar, um das Anlagenvolumen zu vervielfachen. Durch solche Speicherbatterien, insbesondere bei Speichersystemen mit nachgeschaltetem Gasvolumen, können – mit einem Gesamtvolumen von 100 m³ und mehr – kompakte und wirtschaftlich anschlussfertige Großanlagen realisiert werden. Auch der Vorspanndruck ist ebenso variabel wie der maximal zulässige Betriebsüberdruck von 200 bis 1200 bar. Schließlich sind die Speichersysteme neben dem normalen Betriebstemperaturbereich von -10 bis +80° C auch in Sonderausführungen bis -60° C oder auch +200° C verfügbar.
Kolbenspeicher von BSD erfüllen durch optimierte Dichtungskombinationen höchste Anforderungen an Wartungsfreundlichkeit, Standzeiten und Hysterese. Eine 2-Punkt-Ausführung mit druckentlastetem Dichtungszwischenraum sorgt für die sichere Trennung von Öl und Stickstoff. Sie verhindert außerdem den Schleppdruck-aufbau. Die V-förmige Dichtungsausbildung sichert hohe Standzeiten und schließt Ausfälle praktisch aus. Spezialausführungen für extreme Temperaturen, niedrige Betriebsdrücke oder den hochfrequenten Kurzhubbetrieb ergänzen das Programm.

Optimale Oberflächen durch Honen

Entscheidend für diese optimale Wirkung der Dichtungen sind die durch Rollieren und Honen feinstbearbeiteten Zylinderflächen. Sie minimieren den Verschleiß auch bei sehr häufigen Lastwechseln unter hohen Drücken und vermeiden Stick-Slip-Effekte. Hinzu kommen ein optimaler Traganteil der Oberfläche und hervorragende Gleit- und Notlaufeigenschaften. Beidseitig eingebaute Einfüllstutzen mit radialer Dichtung und Fixierung durch separate Gewinderinge erlauben einfachste Montage und Demontage sowie die schonende und verdrehfreie Montage der O-Ringe.
Für die Zylinder steht eine umfangreiche Palette an Stählen und modernen Compounds zur Verfügung. Damit lassen sich besondere Anforderungen an Gewicht und Druck erfüllen. Die Kolben bestehen aus geschmiedeten Werkstoffen, die keinerlei Porosität aufweisen, so zur dauerhaften Dichtigkeit des Speichers beitragen und Zerstörungen durch hohe Druckwechsel-Beanspruchung ausschließt. So führen geringerer Ressourceneinsatz, verminderter Raumbedarf zur Aufstellung und reduzierte Betriebs- und Wartungskosten zu wirtschaftlichen Lösungen.
Kolbenspeichersysteme von BSD können im Gegensatz zu Membran- oder Blasenspeichern mit unterschiedlichen Sensoren ausgestattet werden. Endlagen- und Positionsschalter sowie lineare Wegmesssysteme liefern die notwendigen Informationen zu Kolbenposition oder Kolbenhub beziehungsweise gespeichertem Ölvolumen.

BSD-Kolbenspeicher sind in jeder Größe zwischen 0,1 und 1500 Liter maßgeschneidert lieferbar. Durch nachgeschaltete Gasbehälter lässt sich die Kapazität bei geringem Aufwand noch deutlich erhöhen.

Die Bestimmung des Energieinhaltes wird durch zusätzliche Druck- und Temperatursensoren relativ einfach möglich. Die so ermittelten Ist-Werte lassen sich in modernen Maschinen- und Anlagensteuerungen weiter verarbeiten und sind die Basis für einen effizienten Betrieb der Anlagen. Als Energie-Speicher und Hydraulik-Booster kommen Kolbenspeicher von BSD in Ladekränen zum Einsatz. Diese mobilen Hebeeinrichtungen be- und entladen Schiffscontainer, die oft ein Gewicht von 30 t und mehr haben können. Antrieb ist hier ein Hydraulikmotor, den ein Diesel- oder Elektromotor über eine Pumpe mit Energie versorgt.
Mit dem neuen Pactronic-System kommt jetzt ein Hydrospeicher in den Fluidkreislauf. Er ist so dimensioniert, dass etwa 400 kW Leistung über einen Zeitraum von 25 s zusätzlich für die Hydraulik zu Verfügung stehen. Und er nimmt beim Absenken einer Last die Energie auf, die bisher durch eine Drossel abgebaut und in Abfallwärme verwandelt wurde. So lassen sich bis zu 30 % der Hubenergie zurückgewinnen.

In 4,9 Sekunden auf 240 km/h

Kolbenspeicher von Bolenz & Schäfer mit einem Volumen bis zu 1500 Liter sind in praktisch beliebiger Zahl koppelbar, um das Anlagenvolumen zu vervielfachen.

Zugleich lässt sich der Kolbenspeicher außerhalb der Hubphase über den Motor aufladen. So steht ein hydraulischer Booster zur Verfügung, der die Geschwindigkeit der Hubbewegung verdoppelt, ohne dass leistungsfähigere Diesel- oder Elektroaggregate und Pumpen im Einsatz sind. Der gesamte Arbeitsablauf wird so um bis zu 30 % schneller. Sowohl der Booster-Effekt als auch der Einsatz des Energiespeichers sind so nur in einem Hydrauliksystem realisierbar und erlauben höhere Leistung bei 30 % geringerem Energieverbrauch und 30 % geringerer CO2-Emission.
Welches Potenzial Kolbenspeicher bieten, zeigt der Ferrari-Themenpark in Abu Dhabi. Dort hat die weltweit leistungsfähigste hydraulisch betriebene Achterbahn den Betrieb aufgenommen. Sie soll ein Gefühl vermitteln, das dem Start eines Formel-1-Boliden entspricht: In 2 s werden 100 km/h erreicht, nach 4,9 s hat der Hydraulikmotor den Wagen auf 240 km/h beschleunigt. Während dieser wenigen Sekunden beträgt die Abgabeleistung etwa 17,5 MW. Die hierfür verantwortliche Speicheranlage von BSD hat ein Volumen von insgesamt 45.000 l, wovon 3.000 l als Kolben-Speichervolumen und 42.000 l in nachgeschalteten Gasbehältern installiert sind. Der höchste zulässige Betriebsdruck der Komponenten beträgt 350 bar.

Achterbahn in Abu Dhabi: Durch Hydrospeicher in 4,9 Sekunden von 0 auf 240 km/h.

Und natürlich bieten sich Kolbenspeichersysteme auch dort an, wo bei Systemausfällen eine hoch verfügbare Druckreserve aus Sicherheitsgründen vorgehalten werden soll – dies verbunden mit allen Vorteilen, die Speicher darüber hinaus bieten. Im Bereich regenerativer Energien betrifft das beispielsweise die Versorgung der Turbinensteuerung für Wasserkraftwerke. Hier werden entweder Turbinenschaufeln oder aber die Anspritzdüsen hydraulisch gesteuert, um die Rotationsgeschwindigkeit der Turbinen und den Wasserdurchfluss zu regeln.
Auch hier sind Kolbenspeicher von BSD im Einsatz. Sie erlauben eine kleinere Aggregatauslegung und ermöglichen im Störfall die automatische Notabschaltung, selbst wenn keine elektrische Systemversorgung mehr gegeben ist. Sobald der Speicherdruck oder der Speicherfüllstand unter einen vom Betreiber definierten Wert fällt, erfolgt automatisch die Abschaltung direkt durch den noch verbliebenen Energieinhalt des Speichersystems.
Eine Projektierungs- und Simulations-Software ergänzt das Produktprogramm von Bolenz & Schäfer mit seinen vielfältigen Anwendungen. BSD-Speichersysteme verwenden zur Energiespeicherung primär N² als Energieträger. Dabei treten Zustandsänderungen auf, die mit einer Vielzahl von Realgas-Gleichungen beschrieben werden können. Bei der Projektierung von Speichersystemen sind solche Gleichungen aufgrund ihrer Komplexität aber nicht ohne Hilfsmittel verwendbar. Das Speicherprojektierungs- und Simulationsprogramm ACCU von BSD ermöglicht eine schnelle und einfache Auslegung auf der Basis jahrzehntelanger Erfahrungen. Zusätzlich bietet es auch die Möglichkeit der Optimierung von Speichersystemen mittels Simulation. Damit besitzt Bolenz & Schäfer eine umfassende Gesamtlösungskompetenz bei Systemen mit Hydrospeichern.

Autor: Jörg Beyer, Journalist in Tübingen, www.bolenz-schaefer.de