TEAM Veranstaltung

Ein brennendes Thema für Hersteller und Zulieferer mobiler Arbeitsmaschinen: Die Bestimmungen für Energieverbrauch und Effizienz ihrer Produkte verschärfen sich rapide. Entsprechend gut besucht war eine Informationsveranstaltung des VDMA im Februar zum Stand des Forschungsverbundvorhabens TEAM in Frankfurt am Main. Bild: fluid/Pyper

Sie zogen ein Jahr vor Ablauf des Projekts Zwischenbilanz. Man sei auf einem guten Weg, die Ziele zu erreichen. In einem Folgeprojekt sollen noch offene Fragen geklärt werden.

Die Abgasregelungen nach ‚European off-highway Stage IV‘ und dem amerikanischen Pendant ‚U.S. off-highway TIER 4 final‘ treffen auch die Hersteller mobiler Arbeitsmaschinen. Dazu gehört, dass ihre Maschinen in spätestens sechs Jahren 20 % effizienter sein und 20 % weniger CO2 ausstoßen sollen. Neben der Steigerung von Produktivität und Bedienkomfort steht deshalb die Verbesserung der Energieeffizienz im Mittelpunkt der Entwicklungsmaßnahmen. Immerhin verbrauchen allein die etwa 400.000 Maschinen in Deutschland fast 16 % des gesamten Dieselkraftstoffs.

Prof. Marcus Geimer

„Die Energieeffizienzbewertung einer mobilen Arbeitsmaschine ist nur dann sinvoll, wenn real auftretende und häufig vorkommende Verfahren und Betriebspunkte betrachtet werden.“
Prof. Dr.-Ing. Marcus Geimer, KIT, Bild: fluid/Pyper

18 Maschinenhersteller, fünf Hochschulinstitute und der VDMA haben sich im Verbundprojekt TEAM zusammengeschlossen. TEAM steht für ‚Technologien für energiesparende Antriebe mobiler Arbeitsmaschinen‘. Der Startschuss fiel im Februar 2012, es läuft bis Januar 2015. Das Projekt wird mit 4,3 Mio. Euro vom Bundesforschungsministerium BMBF gefördert. Die anderen Teilnehmer investieren weitere 4,2 Mio. Euro. Die TEAM-Mitglieder haben sich hohe Ziele gesetzt: Sie visieren statt der vorgegebenen 20 sogar 30 % Einsparung an. Und sie sind überzeugt, das zu schaffen, wie jetzt Mitte Februar auf einer Informationsveranstaltung des VDMA deutlich wurde. Hierzu „entwickeln, erproben und bewerten die Projektteilnehmer innovative Antriebstechnologien“, wie Dr.-Ing. Hilmar Jähne vom Institut für Fluidtechnik (IFD) der TU Dresden erklärt. Um das Vorhaben übersichtlicher zu gestalten, unterteilte man es in fünf Teilprojekte:

  • Analysieren und Weiterentwickeln bestehender Systemlösungen unter Berücksichtigung aktueller Entwicklungen aus Industrie und Forschung
  • Entwickeln anwendungsspezifisch optimierter Antriebskomponenten
  • Erarbeiten von Methoden und Werkzeugen zur ganzheitlichen Maschinenbetrachtung
  • Schaffen einer Grundlage zur Effizienzbeurteilung mobiler Arbeitsmaschinen
  • Erproben und Bewerten der Antriebstechnologien anhand realer und virtueller Demonstratoren.

Wie viel Energie ist wenig Energie?

Doch was bedeutet eigentlich wenig Energie? Diese Frage ist schon bei Personenwagen immer schwieriger zu beantworten und führt mittlerweile zu hefigen Diskussionen über die Sinnhaftigkeit bestehender Testzyklen. Bei der völlig heterogenen Aufgabenlandschaft mobiler Arbeitsmaschinen, die sich zwischen Getreideernte, Brunnen bohren oder Straßen bauen bewegt, ist die Aufgabe noch ungleich diffiziler. Eine Antwort versuchte in Frankfurt Professor Dr.-Ing. Marcus Geimer, Leiter des Instituts für Fahrzeugsystemtechnik (FAST) und des Lehrstuhls für Mobile Arbeitsmaschinen (Mobima) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Ziel der Forschung sei eine Methodik, die „eine Bewertungsgrundlage zur Energieeffizienz liefert“. Eine Diskussion wie bei den Pkw will Geimer unbedingt vermeiden: „Die Energieeffizienzbewertung einer mobilen Arbeitsmaschine ist nur dann sinnvoll, wenn real auftretende und häufig vorkommende Verfahren und Betriebspunkte betrachtet werden.“ Der Energieeffizienzbewertung müsse deshalb ein maschinentypspezifisches Einsatzprofil zugrunde liegen. So würden beispielsweise Radlader der 200-kW-Klasse zu 32 Prozent für die Gewinnung von Rohstoffen eingesetzt, zu elf Prozent für den Tiefbau, fünf Prozent arbeiteten im Straßenbau und drei Prozent im Hochbau. Der Rest verteilt sich auf viele andere Einsatzbereiche. Als Referenzwerte müssten realistische Durchschnitte auf EU-, nationaler- und regionaler Ebene oder bestimmter Nutzergruppen wie Getreideanbau oder mittlere Betriebsgröße angesetzt werden.

Dr. Karsten Ebenhan

„Wir wollen zukünftige Maschinen auf die jeweilige Aufgabe hin optimieren.“
Dr. Karsten Ebenhan,
Takraf, Bild: fluid/Pyper

Dafür erarbeiteten die Karlsruher Forscher eine Methodik zur Effizienzbewertung, indem sie zunächst einmal die Anforderungen und Einsatzprofile sowie die Zykleneinteilung festlegten. Dann ermittelten sie die Energieflüsse und leiteten die Last- und Bewegungsprofile ab, um sinnvolle Prüfverfahren zu erarbeiten. Über die Auswahl der Bewegungsabläufe, Lastvorgaben und Parametervariationen gelangten sie zu einem verfahrensabhängigen Prüfstandsdesign und -programm. Aus den Prüfzyklen ergaben sich dann die Effizienz und ihre Bewertung. Dieser Teil des Projekts konnte mittlerweile erfolgreich abgeschlossen werden. „Wir arbeiten jetzt im letzten Jahr des Verbundvorhabens an der Umsetzung der Methodik in ein Tool zur Effizienzberechnung. Außerdem planen wir die Validierung des Tools am Demonstrator ‚Grüner Radlader‘“, so Professor Geimer.

Ganzheitliche Prozesssimulation

Quasi aus umgekehrter Sicht gingen die Experten der zur Tenova-Gruppe gehörenden Takraf GmbH, Leipzig, einem Spezialisten für die Entwicklung, Planung, Konstruktion und Lieferung von Maschinen und Anlagen für Tagebausysteme und -ausrüstungen sowie Massengutumschlag, die Sache an. Dr. Karsten Ebenhan, Mechanical Engineer in der Mining & Minerals Division, stellte die Frage: „Wie viel Energie kann Berge versetzen?“ Hierfür simulierten die Takraf-Experten den Einfluss des Arbeitsprozesses auf den Energieverbrauch im Computer.

Das Problem: Für eine prozessspezifische Maschinenauslegung reichten die bisherigen Kenntnisse über das Prozessverhalten, also die Interaktion zwischen Maschine und Erdstoff, nicht aus. Dr. Ebenhan: „Es gab zwar Methoden zur getrennten Simulation von Maschine und Prozess, aber noch keine Simulationskopplung.“ Eine ganzheitliche Prozesssimulation soll deshalb die Prozesslasten berechenbar machen. Dadurch sollen sich sowohl technologisch-wirtschaftliche Merkmale voraussagen lassen, als auch die Energieeffizienz unterschiedlicher Konzepte messbar und vergleichbar werden. „Wir wollen zukünftige Maschinen auf die jeweilige Aufgabe hin optimieren“, fasst Dr. Ebenhan zusammen.

Bis jetzt konnten sowohl ein Maschinen- als auch ein Erdstoffmodell erstellt werden. Das Maschinenmodell basiert auf zwei Referenzmaschinen, dem Hydraulikbagger Case WX185 und dem Liebherr-Radlader L576. Die Modelle bilden die Arbeitshydraulik und das Antriebssystem ab. Sie wurden in eine Functional Mockup Unit (FMU) verpackt. Für das Erdstoffmodell wurde eine Functional-Mockup-Schnittstelle in die DEM-(Diskrete-Element-Methode)-Software LIGGGHTS implementiert und ein parametrierbares DEM-Modell erstellt. Beide Modelle konnten mittlerweile gekoppelt werden, sodass sich sowohl Lasten auf Anbauwerkzeuge als auch der prozessseitige Energiebedarf berechnen und analysieren lassen. Um zu testen, ob Theorie und Praxis übereinstimmen, entwickelte Takraf einen Prüfstand, der mittlerweile funktionsfähig sei.

Vom Radlader bleibt nur mehr die Hülle

Dr. Hilmar Jähne

„Die TEAM-Mitglieder visieren dank innovativer Antriebstechnologien statt der vorgegebenen 20 sogar 30 % Effizienzverbesserung und Energieeinsparung an.“
Dr.-Ing. Hilmar Jähne, TU Dresden, Bild: fluid/Pyper

„Unser Ziel ist es, damit Simulationsergebnisse und Referenzmessdaten abzugleichen“, gibt Dr. Ebenhan als Aufgabe für das letzte Projektjahr vor. Am Versuchsstand sollen Referenzdaten erzeugt und das DEM-Modell kalibriert werden. Die DEM-Parameter würden anschließend auf die Simulation der Referenzszenarien ‚Hydraulikbagger‘ und ‚Radlader‘ übertragen werden. Schließlich soll eine ganzheitliche Simulation von Maschine und Prozess durchgeführt und die Ergebnisse mit realen Maschinenmessungen verglichen werden.

„Wir befinden uns im Moment im Teststadium der Subsysteme und der Software“, erklärt Dr.­-Ing. Herbert Pfab, Entwicklungsleiter Radlader bei Liebherr Bischofshofen. Zusammenfließen sollen alle Forschungsergebnisse in einem Radlader vom Typ L576, von dem allerdings nicht viel mehr als die Hülle bleibt. Er sei aber besonders repräsentativ, da Radlader dieser Größenordnung mit 4 bis 4,5 m³ Schaufelinhalt weit verbreitet und die Einsatzbedingungen sehr vielfältig seien. Da diese Maschinen durchschnittlich 2000 Stunden jährlich im Einsatz seien, würden sich effizienzsteigernde Maßnahmen schon nach kurzer Zeit positiv auswirken.

Beim Teilprojekt ‚Grüner Radlader‘ geht es aber auch um neue Betriebsstrategien zur Ansteuerung der Subsysteme. Dr. Pfab: „Simulationsuntersuchungen versprechen signifikante Kraftstoffeinsparungen gegenüber konventionellen Systemen.“ Ob sie halten, was sie versprechen, wird sich in Kürze erweisen, denn die Integration der Subsysteme sei mittlerweile weitgehend abgeschlossen. Ab April dieses Jahres soll der Radlader in Betrieb genommen und erprobt werden. Parallel wolle man die Betriebsstrategie weiterentwickeln sowie ein neu entwickeltes Hybridmodul untersuchen und optimieren, so der Plan.

Neben dem realen Radlader entwickelte man auch einen Miningbagger, allerdings nur virtuell. Hierzu wurde das Antriebssystem in einer Simulation abgebildet. Referenzmessungen dienten der Verifikation des Modells. Außerdem wurde eine neue verdrängergesteuerte Antriebsstruktur entwickelt, um die Energieverluste des konventionellen Systems zu reduzieren. In der verbleibenden Zeit soll nun das Einsparpotenzial des entwickelten Schaltungskonzeptes für typische Einsatzbedingungen ermittelt werden. Außerdem soll das Konzept mit weiteren Antriebsstrukturen wie einer Verdrängersteuerung im geschlossenen Kreis oder dem Einsatz eines zusätzlichen Hybridmoduls verglichen werden. Schließlich werde noch die Charakteristik des Dieselmotors in die Steuerung des Antriebssystems einbezogen.

Wenngleich die Ziele des Verbundvorhabens erreicht werden dürften, gibt es weitere Fragen, die nach Antworten verlangen. Das machte der Koordinator des Verbundprojekts, Professor Dr.-Ing. Jürgen Weber, Chef des Instituts für Fluidtechnik der Technischen Universität Dresden, deutlich. 30 Themen und Vorschläge wurden durch die Konsortialpartner zusammengetragen, die die Basis für ein Folgeprojekt „TEAM II“ bilden könnten.

Forschungsprojekts TEAM

Alles neu unter der Haube: Der gesamte Antriebsstrang und die Arbeitshydraulik des ‚Grünen Radladers‘ werden im Rahmen des Forschungsprojekts TEAM auf Effizienz getrimmt. Als Basis dient ein L576 von Liebherr. Bild: TEAM

An erster Stelle der Entwicklungsschwerpunkte stehen dabei neue hydraulische Antriebslösungen, dicht gefolgt von Condition-Monitoring-Maßnahmen zur Erhöhung der Verfügbarkeit und einer weiteren Verbesserung der Assistenzsysteme, um beispielsweise einen negativen Einfluss des Bedieners zu reduzieren, aber auch, um die Produktivität zu erhöhen. Weitere Themen sind virtuelle Entwicklungsmethoden, die Weiterentwicklung des Primärantriebs und die Elektrifizierung. Professor Weber: „Wir werden bereits in den nächsten Wochen diese Themenstellungen weiter verschmelzen, um im Sinne eines Nachfolgeprojektes TEAM II eine entsprechende Strategie zu entwickeln und die Antragsaktivitäten voranzutreiben.“

Autor: Michael Pyper, freier Journalist für fluid