Mähdrescher

In Karlsruhe stellten Vertreter aus Forschung und Industrie Projekte vor, die sich mit energiesparenderen Antrieben beschäftigen.Bild: Jan Jansen – Fotolia

Um die sportlichen Vorgaben einzuhalten, werden sich die Entwicklungsabteilungen kräftig in die Riemen legen müssen. Ein Fachtreffen am KIT ließ ahnen, was dabei herauskommen könnte.

Gerade glaubten die Hersteller mit den letzten Anpassungen an Stufe vier das Thema Emissionen langsam abgehakt zu haben, da schlug die EU-Kommission bereits eine neue Richtlinie vor: Seit September 2014 liegt das Papier auf dem Tisch, in dem es um eine Neuregelung der Grenzwerte geht. Ziel ist dabei unter anderem, der rechtlichen Situation ihre Komplexität zu nehmen und die Luftqualität zu verbessern.

Von Seiten der Verbände gab es Kritik. Johann Sailer, Vorsitzender des VDMA Fachverbandes Bau- und Baustoffmaschinen, sprach in einer Rede am 6. November 2014 von einem „faktischen Technologiezwang zum Einsatz eines Partikelfilters“. Zwar begrüßte der Branchenvertreter auch einige Punkte des Vorschlags, beispielsweise die Harmonisierung mit den US-Regelungen. Die Vorteile, die den europäischen Herstellern dadurch entstünden, würden durch die Partikel-Regelung jedoch zunichte gemacht.

Auch ist der Zeitplan für die Einführung in Sailers Augen sehr ambitioniert: „Bereits 2019 gelten für bestimmte Leistungsklassen die neuen Grenzwerte, darunter insbesondere auch diejenigen Motoren mit unter 37 Kilowatt, die nun ohne Zwischenschritt von Stufe IIIA auf Stufe V zu hieven sind.

Eine solche Anpassung erfordert erhebliche technische Entwicklungen und entsprechende Investitionen“, betont der Vorsitzende. Mit nur drei Jahren von der Veröffentlichung der Verordnung Anfang 2016 bis zum Stichtag am 1. Januar 2019 sehe der Plan der EU-Kommission in diesem Punkt nicht genug Zeit für die Entwicklung vor. Der Verband verweist in diesem Zusammenhang auch auf die Investitionen, welche die europäische Industrie in den vergangenen Jahren getätigt hat, um die bisherigen Stufen der Abgasemissionsrichtlinie 97/68/EG zu erfüllen. Die Unternehmen drängen deshalb in Brüssel auf eine Verlängerung der Einführungsfristen.

Antriebsexperten treffen sich in Karlsruhe

Unabhängig von der Gängelung aus Brüssel hat die Branche allerdings ihre eigene Agenda, auf der Partikel nicht unbedingt ganz oben stehen. Komfort spielt hier beispielsweise eine wichtige Rolle. Und das Thema Kraftstoff und Emissionen betrachten viele Hersteller lieber aus der Perspektive der Energieeffizienz. Denn diese liefert mit niedrigeren Betriebskosten ein zusätzliches Verkaufsargument.

Zwar schlitterten die Treibstoffpreise über den Winter in unverhoffte Tiefen, die Relevanz sparsamer Antriebe stand deshalb jedoch nicht zur Debatte. So trafen sich am 25. Februar Vertreter aus Forschung und Industrie, um sich über Projekte und Studien auszutauschen zum Thema „Hybride und energieeffiziente Antriebe für mobile Arbeitsmaschinen“.

Dabei ging es in einem Vortrag auch um Landmaschinen mit Elektroantrieb. Um der Nachhaltigkeit willen müsse auf lange Sicht das Ziel sein, ganz von den fossilen Rohstoffen unabhängig zu werden, erklärt Prof. Peter Pickel von John Deere.

Das Unternehmen engagiert sich in mehreren Projekten für eine vollelektrische Landtechnik. Landwirte müssten möglichst dezentral erzeugte, erneuerbare Energien verwenden, führte Pickel aus. Idealerweise würden sie diese Energie selbst bereitstellen. Tatsächlich ist heute schon die Produktion von Nahrungsmitteln nur eine der Einkommensquellen in der Landwirtschaft. Biodiesel, Biogas und Strom aus Solaranlagen gehören vielerorts zum Portfolio.

Traktor an die Steckdose

Battery-Boost-System

Auf dem Weg zum Elektro-Traktor: Das Battery-Boost-System von John Deere. Bild: John Deere

John Deere beteiligt sich vor diesem Hintergrund am Verbundprojekt „Sesam – Entwicklung eines vollelektrischen Traktors“. Es konkurrieren für Elektro-Landmaschinen zwei Ideen miteinander: Entweder könnten Traktoren eine Batterie mitführen oder sie könnten über ein Kabel direkt mit dem Stromnetz verbunden werden.

Erste Schritte in Bezug auf die erste Variante sind getan: So präsentierte das Unternehmen bereits 2014 einen teilelektrifizierten Traktor. Im Februar dieses Jahres erhielt der Landtechnik-Anbieter auf der Sima in Paris nun einen Preis für das „Battery Boost“-System. Dabei ersetzte das Unternehmen das Ballastgewicht an einem teilelektrischen Traktor durch eine Batterie.

Ballastgewichte dienen dazu, die Masse der Arbeitsgeräte auszugleichen. Die Lithium-Ionen-Wechselbatterien stellen dem Traktor und dem Arbeitsgerät mehr als 100 Kilowatt Extraleistung zur Verfügung. Die elektrische Verbindung erfolgt über die standardisierte Traktor-Geräte-Schnittstelle der Agricultural Industry Electronics Foundation (AEF).

Ist das Trägerfahrzeug außer Betrieb, könnten die Batterien als Energiespeicher dienen, um Schwankungen im Stromnetz oder auch in den Stromerzeugungsanlagen des Bauernhofes selbst auszugleichen, führte der Firmenvertreter in seinem Vortrag aus. Die Abgasnachbehandlung in den Fokus zu stellen, sei bei einer weiteren Verschärfung der Abgasrichtlinien nicht mehr zielführend, vermutet Pickel. Hingegen könnte die Vernetzung zur Effizienz und höheren Erträgen beitragen. Denkbar sei beispielsweise eine Kommunikation zwischen Arbeitsmaschine und Traktor, um die Fahrgeschwindigkeit je nach Auslastung zu maximieren und so die Feldarbeit zu beschleunigen.

Peter Pickel war nicht der einzige Referent, der in Karlsruhe über elektrische Antriebe für mobile Maschinen sprach. So stellte Dimitri Zimantovski von der HTWG Konstanz eine Vorstudie zu einem Elektro-Radlader vor. Ausgangspunkt der Arbeit war ein konventioneller Radlader, den die Tüftler der Fakultät Maschinenbau auf dezentrale elektrische Antriebe für die Hydraulikpumpe und die Fahrantriebe umrüsteten.

Als Energiespeicher bauten sie eine LiFeYP04-Batterie ein, die auf eine Betriebsdauer von vier Stunden ausgelegt ist. Die Elektro-Maschine und ein dieselbetriebenes Serienmodell traten dann in mehrstündigen Tests gegeneinander an. Dazu wurde ein reproduzierbarer Arbeitszyklus entworfen, der sich an den üblichen Aufgaben eines Radladers orientiert.

Elektro gegen Diesel – ein Vergleich

Forschung am KIT

Besucher der Fachtagung in Karlsruhe erkunden einen Akustik-Allrad-Rollenprüfstand am KIT. Unter anderem kann dort die Geräuschentwicklung gemessen werden. Bild: fluid/do

Die Forscher betrachteten die komplette Kette der Energieumwandlung: Mit einbezogen wurden die Rohstoffförderung, -Aufbereitung und -Weiterverarbeitung, die Stromerzeugung im Kraftwerk beziehungsweise die Dieselgewinnung in der Raffinerie, der Transport des Stroms und Diesels zum Endverbraucher und die mechanischen Arbeit, welche die Geräte leisten. Ziel war eine Kohlendioxid-Bilanz für beide Fahrzeugtypen. Der Untersuchung lag dabei der deutsche Strom-Mix zugrunde, an dem fossile Energieträger einen großen Anteil haben.

Alles in allem verursachte der Diesel-Radlader im Arbeitszyklus 4433 Gramm Kohlendioxid pro Kilowattstunde, der Elektro-Radlader 2596. Der Umstieg auf Elektroantriebe verringert die Emission von Kohlendioxid damit rechnerisch um etwa 41 Prozent. Zu Bedenken ist allerdings, dass für eine belastbare vergleichende Untersuchung bezüglich der Energieeffizienz der gleiche Anteil der Nutzenergie eine wichtige Voraussetzung ist.

Da die Bedienung des Elektro-Radladers von der des Diesel-Radladers abweicht, und es dem Fahrer daher an Routine im Umgang mit der Maschine mangelte, wurde dieser Punkt nur ansatzweise erfüllt. Der Referent schlussfolgerte daraus, die Ergebnisse seien zwar richtungsweisend, müssten aber noch durch weitere Untersuchungen konkretisiert werden. Zuvor solle die Bedienung des Elektro-Radladers Richtung Serienfahrzeug angepasst werden.

Leichtbau konkret

Die Kreativität der Branche ist mit Ideen zur Elektrifizierung selbstverständlich nicht erschöpft. Dr. Olaf Stelling von Parker Hannifin Manufacturing Germany berichtete von Leichtbaukonzepten für Hydraulikspeicher. Das Unternehmen erprobte unter anderem Kolbenspeicher mit reinem Composite-Rohr in Fall- und Verschleißtests. Es lasse sich bei hydraulischen Speichern signifikant Gewicht einsparen ohne Einbußen bei der technischen Performance. Prototypen befinden sich aktuell im Feldtest.

Pumpe plus eins

Lennart Roos vom Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge (IMN) an der TU Braunschweig widmete sich in seinem Vortrag der grundsätzlichen Möglichkeit, die Effizienz in der Arbeitshydraulik über ein Zwei-Pumpen-System zu erhöhen. Meist würden dort Verstellpumpen eingesetzt, die wegen wechselnder Einsatzbedingungen und spontaner Überlasten große Leistungsreserven aufweisen müssten, erklärte der Referent.

Daher förderten diese Pumpen oft bei kleinen Schwenkwinkeln, wobei ihre Effizienz konstruktionsbedingt nur gering sei. Dies zeige sich bei sehr niedrigem und sehr hohem Druck besonders deutlich. Um den Betriebspunkt zu verschieben, so die Idee, könnte dieses Ein-Pumpen-System durch eine kleinere Verstellpumpe und eine zusätzliche Konstanteinheit ersetzt werden, die entweder parallel oder in Reihe geschaltet sind. Die Konstantpumpe wird zwecks Drehzahlentkopplung elektrisch angetrieben.

Die Simulationen zeigen: Beim Zwei-Pumpen-System ist das Verlustverhalten stark vom Betriebspunkt abhängig. Bei geringen Volumenströmen ist das Zwei-Pumpen-System besser als die Ein-Pumpen-Variante; bei großer hydraulischer Systemleistung kehrt sich das Verhältnis um. Es besteht eine große Abhängigkeit vom individuellen Verlustverhalten der Komponenten, von den Betriebsparametern sowie der relativen Dimensionierung.

Um das konkrete Potenzial für Einsparungen in Applikationen zu diskutieren, sei es daher noch zu früh, bilanziert der Referent. Allerdings sei festzuhalten, dass von der Verlustcharakteristik des Zwei-Pumpen-Systems Anwendungen profitieren, die wechselnde Betriebspunkte und nennenswerte Arbeitsanteile im Teilleistungsbereich aufweisen. Diese Ergebnisse sollen nun als Grundlage für ein nachfolgendes Forschungsprojekt dienen.

Der Blick auf die Fachtagung lehrt: Die Unternehmen und Universitäten lassen sich von einer möglichen Stufe V der Emissions-Regelung nicht die Stimmung verderben. Sie arbeiten mit Optimismus und Kreativität an der Weiterentwicklung der Technik in mobilen Arbeitsmaschinen.

Autorin: Dagmar Oberndorfer, Redaktion

Prognosen für 2015

mobile Maschine

Es entfallen etwa 15 Prozent des Ausstoßes an Stickoxiden sowie fünf Prozent der Emissionen an Partikelmaterie in der EU auf mobile Maschinen, argumentiert die EU-Kommission. Bild: Bild: © sergeymalov – Fotolia

Wachstumspause

Dass der Vorsitzende des VDMA-Fachverbandes Bau- und Baustoffmaschinen Johann Sailer den Vorschlag der EU-Kommission kritisiert, liegt wohl auch in der aktuellen Situation der Branche begründet. Die deutschen Baumaschinenhersteller erreichten 2014 mit plus acht Prozent einen etwas höheren Umsatz als erwartet.

Dieser lag bei 8,4 Milliarden Euro etwa auf dem Niveau von 2006. Joachim Strobel, stellvertretender Vorsitzender des Fachverbandes, relativiert jedoch: „Das eine ist der Umsatz, das andere der Ertrag.“ Die schnelle Abfolge der Abgasvorschriften hätte für die Unternehmen einen extrem hohen Entwicklungsaufwand bedeutet, der kostenneutral nicht zu haben sei, so der stellvertretende Vorsitzende. Existenzielle Nöte schloss Strobel zwar aus, die Planbarkeit werde aber insgesamt schlechter: „Von sieben-Jahres-Zyklen wie früher kann keine Rede mehr sein.“

2014 gab es beispielsweise ein starkes Frühjahr, ein ausgedehntes Sommerloch und dann wieder einer deutliche Verbesserung der Lage zum Jahresende. Für das laufende Jahr erwartet die deutsche Baumaschinenindustrie, dass sich die Geschäfte auf den gut laufenden und den schlechter laufenden Märkten tendenziell ausgleichen. Auf eine ähnliche Entwicklung stellt sich der Verband bei den Baustoffmaschinen ein; die Prognose ist für die sehr heterogene Branche allerdings schwierig zu treffen. Hier betrug der Umsatz 2014 insgesamt 4,3 Milliarden Euro.

Und auch der Fachverband VDMA Landtechnik zeichnet ein nicht gerade rosiges Bild. Demnach lag der Umsatz 2014 bei 7,7 Milliarden Euro, acht Prozent unter 2013. Nach der Prognose für das laufende Jahr wird sich diese Abwärtsbewegung fortsetzen: Für 2015 erwartet der Verband rund 7,1 Milliarden Euro Umsatz, das wäre ein Rückgang von sieben Prozent.