Elektromechanische Antriebstechnik auf der Baustelle

Schon oft wurde die Ablösung der Hydraulik durch die Elektrifizierung beschworen. Bei den propagierten Systemen handelt es sich meist um elektrische Antriebstechnik, verbunden mit mechanischen Getrieben, Hebeln, Ketten oder Riemen – in der Regel also rotatorischen Antrieben. Mobile Baumaschinen erfordern jedoch lineare Antriebe mit hoher Kraft auf kleinstem Raum. In der typischen rauen Umgebung mobiler Arbeitsmaschinen müssen sie außerdem möglichst robust sein.

Hier stößt der elektromechanische Antrieb aufgrund der meist notwendigen Übersetzung der Rotation in eine Translation, beispielsweise durch Gewinde- oder Kugelrollspindeln, schnell an seine Grenzen. Solche elektromechanischen Antriebe sind für eine Baumaschine denkbar ungeeignet, denn E-Motor und Getriebe bilden eine festverbundene, schwere Einheit. Jeder einzelne Hydraulikzylinder müsste durch eine solche Einheit ersetzt werden. Kugelrollspindeln lassen sich gut mit Kugellagern vergleichen: Sie sind ebenso empfindlich gegen Schläge.

Jeder Linearantrieb einer elektromechanischen Baumaschine erfordert also einen E-Motor mit Getriebe und Spindel. Da hier mit hoher Leistung gefahren wird, muss diese direkt an der Mechanik installiert werden, obwohl niemals alle Antriebe gleichzeitig volle Leistung erfordern. Das führt zu unnötig hohen Kosten. Hinzu kommt: Die starre Anordnung der Einheit E-Motor-Getriebe-Spindel dürfte in Baumaschinen zu erheblichen Platzproblemen führen. Demgegenüber stehen allerdings auch die deutlichen Vorteile elektromechanischer Antriebe – wie ihre hohe Energieeffizienz und gute Regelbarkeit.

Der Hydraulikzylinder ist daher auch für die Baumaschinen der Zukunft unverzichtbar. Die einfache Trennung zwischen Antrieb und Aktuator ermöglicht eine flexible Anordnung in der Baumaschine. Die Hydraulik ist aufgrund ihrer Elastizität prinzipiell sehr tolerant gegenüber Schlägen, Stößen und Überlastungen. Druckbegrenzungsventile sorgen zusätzlich für den Schutz der betroffenen Bauteile. Elektromechanische Antriebe erfordern beispielsweise Scherstifte, die bei Überlast abscheren. Das führt zum Stillstand der Maschine und relativ aufwändigen Reparaturarbeiten.

Die Leistung lässt sich im hydraulischen System bedarfsgerecht verteilen. Die insgesamt installierte Leistung kann dadurch geringer ausfallen als es die Summe aller Zylinderleistungen erfordert. Dadurch ist die Hydraulik im Vergleich zur Elektromechanik die kostengünstigere Technik. Hinzu kommt: Die spezifischen Preise für E-Technik in €/kW sind deutlich höher. Die Nachteile heute üblicher hydraulischer Steuerungstechnik: Es sind vor allem die hohen Verluste durch Drosselung, Bypässe, zu kleine Leitungen und die nicht optimalen Wirkungsgrade der Pumpen.

Statt eines elektromechanischen Lineargetriebes lässt sich ein elektro-hydrostatisches Lineargetriebe verwenden. Es besteht aus einem drehzahlgeregelten E-Motor, einer effizienten Pumpe und einem Zylinder. Die energiezehrende Ventiltechnik kann, bis auf Sicherheitsfunktionen, entfallen. Diese Konfiguration ist dank geringer Verlustleistungen sehr energieeffizient und genauso gut regelbar wie ein elektromechanischer Antrieb. Dies belegen Prüfstanduntersuchungen von Bucher.

Mit ihm lässt sich besonders einfach beim Bremsen und Senken Energie zurückgewinnen. In dieser Anordnung sind die Kosten des Antriebssystems mit E-Motor und Pumpe pro Zylinder mit den geringeren Batteriekosten abzuwägen. Alternativ können optimierte Ventilsteuerungen mit einem E-Motor, einer Pumpe und mehreren Zylindern attraktiv sein. Kombinationen in der Maschine sind dabei denkbar. Sinnvoll ist in jedem Fall eine Analyse der Verlustleistungen im Lastzyklus der Maschine.

Die Leistungsfähigkeit elektrohydraulischer Linearantriebe ist im geschlossenen Kreis vergleichbar mit derjenigen elektromechanischer Antriebe, ohne die jeweiligen spezifischen Nachteile. Diese Antriebe eignen sich hervorragend für Vier-Quadranten-Betrieb mit hoher Leistung und rückgewinnbarer Energie, wie er zum Beispiel für Ausleger oder schwere Hubfunktionen benötigt wird.

Die Elektrifizierung von Baumaschinen eröffnet völlig neue Möglichkeiten, die heutige hydraulische Systeme nicht bieten können. So lassen sich alle Rotations- und Linearantriebe über den Gleichstromzwischenkreis miteinander verbinden.

Die elektrische Energie im Zwischenkreis können Batterien, Super Caps, ein Dieselgenerator oder eine Brennstoffzelle bereitstellen. Aus diesem Zwischenkreis ziehen die Antriebe jeweils nur die gerade benötigte Leistung. Außerdem können sie potenzielle Energie durch Senken und Bremsen rückspeisen.

Die Zylinder lassen sich, je nach Funktionseigenschaften, im offenen oder geschlossen Kreis betreiben. Eine Batterie kann als Pufferspeicher dienen, sodass der Dieselmotor immer im optimalen Betriebspunkt mit dem geringsten spezifischen Kraftstoffverbrauch und optimaler Verbrennung läuft. Leistungsspitzen beim Beschleunigen deckt der elektrische Energiespeicher ab. Der somit von den Arbeitsfunktionen entkoppelte Dieselmotor kann dadurch bei vielen mobilen Arbeitsmaschinen mit typisch zyklischen Lastprofilen deutlich kleiner ausfallen.

Die Elektrifizierung bietet insgesamt eine flexible Kombination verschiedener hydraulischer Antriebskonzepte, die je nach Anforderungen der Anwendung und Kosten eingesetzt werden können. So lassen sich die leistungsstärksten Verbraucher mit der neuen AX-Pumpentechnik von Bucher Hydraulics versehen, während für Antriebe mit geringer Leistung und kurzen Einschaltzeiten beispielsweise konventionelle Loadsensing-Ventiltechnik wirtschaftlicher sein kann. Aber auch diese Antriebe bieten noch reichlich Potenzial für Optimierungen der Effizienz.

Den hohen Wirkungsgraden moderner E-Motoren in einem weiten Betriebsfeld und geringer Verlustleistung stehen übliche Hydraulikpumpen mit geringerem Wirkungsgrad und entsprechend höherer Verlustleistung gegenüber. Hier setzte Bucher Hydraulics mit der Entwicklung einer neuartigen Pumpe an, die die Reibungsverluste eliminiert. Lieferbar ist sie mit Verdrängungsvolumina von 18 bis 76 cm³/U, zukünftig sollen Einheiten bis 122 cm³/U zur Verfügung stehen.

Die Pumpe eignet sich für bis zu 450 bar Dauerdruck, dem für Baumaschinen üblichen Druckbereich. Anhand einer für Baumaschinen typischen Heben-Senken-Funktion lässt sich das Energieeinsparpotenzial gegenüber einer Ventilsteuerung und einem elektrohydraulischen Linearantrieb mit konventioneller Pumpe zeigen. Die hocheffiziente AX-Pumpe erzeugt bis zu 50 Prozent geringere Verlustleistung. Dadurch reduzieren sich auch die CO2-Emissionen. Das neuartige Prinzip beseitigt zudem die sonst zu beachtende Mindestdrehzahlgrenze. Dadurch sind exakte Zylinderbewegungen ohne zusätzliche Maßnahmen möglich.