Emissionen Nr 1 1997: Vetenskap
I snart hundra år har vi färdats land och rike runt med förbränningsmotorns hjälp. Nu med lite nya innovationer kan kanske vår kära förbränningsmotor få lite konkurrens. Svänghjulet är på väg in igen!
Flera biltillverkare siktar på tillverkning av mindre svänghjulssystem i hybridbilar inom några få år. US Flywheel Systems arbetar i stället på en bil som helt kan drivas med hjälp av svänghjul. Deras stora styrka ligger i att förtagets bildare Jack Bitterly har arbetat med svänghjul de senaste tjugo åren. Han har stött på och löst nästan alla de problem som andra företag kämpar med just nu.
En enkel halvtransparent skiva med ett hål i mitten för en
axel. Trettio centimeter i diameter och åtta centimeter tjock. Den
här konstruktionen snurrar med hög hastighet och lagrar genom det
rörelsemängdsenergi. Det fullständiga svänghjuls systemet
,
inklusive behållare väger 45 kilo, bara hjulet väger 25. Det är
gjort av tätt packade kolfibrer, liknande det mycket starka
grafitfibrer som används i allt från golfklubbor och fiskespön
till Stealthbombare. För att kunna köra en bil, måste svänghjulet
rotera med en hastighet på 100 000 varv per minut 1700 varv i
sekunden. Ytterkanten rör sig då med 1600 meter per sekund! För
att förhindra gyroskopiska krafter, stoppas två svänghjulssystem
in i en behållare. Då svänghjulen roterar med en ganska hög
hastighet, måste svänghjulet snurra i vakuum för att bli av med
all friktion. Hjulet flyter på en magnetisk upphängning som aldrig
riktigt rör den virvlande axeln.
Bitterly har fått alla sorters svänghjul att sväva på
specialgjorda magnetiska upphängningsanordningar och testat hjulen
utan landning
– en term ingenjörer använder för att
beskriva en kraschlandning ned på gamla hederliga kullager. Dock
har de flesta magnetiska upphängningar sekundära system så att
landning
inte skall behövas vid eventuella fel. Bitterly
har faktiskt ett fullständigt integrerat system som snurrar för
fullt hans tredje version på svänghjulssystemet – vilket är
ovanligt.
De väldigt höga hastighetern som behövs vid energilagring i bilar med svänghjult är väldigt svåra att åstadkomma. Enorma problemI uppstod i början: Små punktformiga fel bredde ut sig genom de tätt packade fibrerna och bildade sprickor vid de höga hastigheterna. Dessutom delade olika lager i materialet upp sig i tunna band som sedan separerades. Ibland kunde de stora krafterna de höga varvtalen medförde deformera hjulet och få det komma ur balans, även om själva fibrerna höll samman.
Att lösa dessa tidiga problem hade varit omöjligt utan den enorma datorkraft som kraftfulla utvecklings- och analys-verktyg behöver. Den magnetiska upphängningen var ett svårt problem och när det stöttes på för 10 till 15 år sedan, behövde egentligen konstruktörerna den datorkraft och elektronik som finns idag. I bilar ställs höga krav då den magnetiska upphängningen i ett svänghjulssystem måste stå ut med en hel del stryk. På en skumpig väg kan svänghjulets axel landa var och varannan sekund, vilket skulle få hjulet att stanna ganska fort. Det här problemet kan lösas med aktiv magnetisk upphängning som hela tiden känner av axelns och svänghjulets läge. Genom detta kan upphängningen reagera på vägens stötar genom att kraftigt öka energin till elektromagneterna – placerade mikrometer från den snurrande axeln – precis i tid för att förhindra landning. Den här lösningen behöver väldigt snabb elektronik och datorkraft, eftersom den skall samla in data, analysera den och hinna svara snabbare än svänghjulet roterar – vilket inte är helt lätt!
Det här görs bland annat vid US Flywheel Systems, som håller på att testa ett prototyp system som skall användas i bilar. Systemet producerar stadigt 25 hästkrafter och kan under korta stötar producera upp till 50 hästkrafter. Fyra svänghjul har tillräcklig kraft att driva en bil av vanlig storlek, dock inte speciellt långt. Med 16 svänghjul skulle bilen kunna åka nästan 50 mil – och få 800 hästkrafter – en sträcka vanliga bilar klarar på en full tank bensin.
Bilen skulle vara uppbyggd som dagens elektriska bilar, med elmotorer vid varje hjul och svänghjul i stället för batterier. Magneter på varje svänghjuls axel genererar elektricitet när de passerar spolar. Prototypen US Flywheel Systems arbetar på har en motorgenerator kopplad till sig, som när den kopplas till en energikälla, snurrar upp svänghjulet och sedan när generatorn kopplas fri driver samma magneter och spolar generatorn från svänghjulets rotation. Generatorn har faktiskt en effektivitet på 96 procent!
Precis som vanliga batterier måste laddas, måste även svänghjul göra det. När svänghjulen överför sin energi till bilen, minskar hastigheten på dem och slutligen måste de snurras upp till sin ursprungliga hastighet igen. Det kan antingen göras lite sakta under natten och till ett lågt el-pris, eller vid en elektrisk uppladdningsstation på cirka tio till tjugo minuter. De här stationerna existerar redan i viss utsträckning i Kalifornien, där det satsas väldigt mycket på elbilar, fast idag är stationerna till för uppladdning av vanliga batterier. På platser där det finns mycket sol kan användning av solpaneler på bilen enkelt förlänga svänghjulens tid mellan uppladdning.
För att maximera den mängd energi som skall lagras i ett svänghjul, måste man maximera förhållandet mellan styrka och densitet i materialet. Det här förhållandet i dagens kolfibermaterial är 17 gånger bättre än i de bästa stålsorterna! Plus att kolfibermaterial bara blir bättre och bättre, då mycket forskning sker inom det området. Jämför du ett svänghjulssystem med användning av batterier i elektriska bilar, lagrar svänghjulssystemet fyra gånger mer energi per kilo och sätter du in samma mängd svänghjul – viktmässigt – i en bil som batterier, kommer bilen gå dubbelt så lång sträcka.
Batterier kan bara laddas upp ett vissta antal (inte allt för många) gånger, innan de måste ersättas med nya. I elbilar sker detta efter cirka två år. Glöm inte heller att batterier inte är speciellt miljövänliga! Vad som dock händer med svänghjulet, är att när det snurras upp och ner, expanderar och kontraherar materialet i hjulet. Denna effekt kan trötta ut materialet så att små defekter uppstår, vilket genast leder till att svänghjulet går sönder. De svänghjul som US Flywheel Systems experimenterar med är gjorda för att kunna snurras upp och ner åtminstone 10 000 gånger, vilket applicerat på en bil, blir cirka 25 års drift. Självklart finns det många frågetecken, då svänghjulstekniken är ny och inte testad på riktiga bilar under fältmässiga förhållanden och det kan finnas en massa oförutsedda nackdelar vi idag inte vet någonting om.
Svänghjul för att lagring av energi är inte någonting nytt, det finns i varje bilmotor idag, fast det används för utjämning av rörelsen från kolvarna i motorn. Detta syns bättre på gamla ångmotorer, där svänghjulet var ganska stort och tungt. Se bara på pistongerna på gamla ånglok som driver de tunga hjulen på loket. Tänk även på krukmakarens drejskiva: En massiv sten som håller krukan snurrandes mellan rörelserna från den mänskliga foten. Eller varför inte Törnrosas spinnrocka!
I årtionden har folk försökt använda svänghjul för att lagra energi. På grund av de problem som uppstår när svänghjulen roterar med hög hastighet, har många jobbat med svänghjul som är ganska stora och roterar med relativt låga hastigheter. Dessa har inriktats på lagring av överskottsenergi som sedan skall användas under de tider på dygnet då belastningen på elnätet är som störst. Installationerna för de här systemen kan då göras i byggnader och har då inte så stora problem med storlek. Bilar ställer däremot höga krav på väldigt kompakta svänghjul som på samma gång till ett överkomligt pris lagrar väldigt mycket energi.
Allt som allt verkar de nya svänghjulssystemens teknologi erbjuda intressanta dörrar inför framtiden. NASA är väldigt intresserade, då svänghjul passar väldigt bra i satelliter, som har tillgång till solenergi, men bara då jorden inte blockerar solljuset. Någonting väl värt att bevaka och inte minst hoppas på. Skulle det fungera, kan vi genast dra ner vår oljekonsumtion avsevärt, vilket inte skulle vara helt fel.
Vidare läsning på nätet: Hybrid Electric Vehicle Program, Newsletter.
Källa: Bl.a. Discover, Augusti 1996 och New Scientist, December 1996
Olof Lindqvist