Lohnt sich die Elektrifizierung mobiler Maschinen?

Regulierungsbehörden auf der ganzen Welt legen strengere Emissionsstandards für schwere Nutzfahrzeuge fest, um die globalen Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. EURO VI ist derzeit der höchste behördliche Standard, den viele Länder bereits erfüllen. Da fossile Brennstoffe die Hauptquelle schädlicher Emissionen darstellen, suchen OEMs nach anderen Brennstoffquellen, um die Einhaltung der steigenden Emissionsstandards zu gewährleisten. Einige Alternativen erfordern nur minimale Maschinenmodifikationen, während andere eine vollständige Neukonstruktion nötig machen. Dieselersatzstoffe wie hydriertes Pflanzenöl (HVO100) können mit Dieselkraftstoff vermischt werden, um Emissionen zu reduzieren, ohne dass die Maschine in irgendeiner Weise modifiziert werden muss. Andererseits ermöglichen Lithium-Ionen-Akkus eine vollständige Abkehr von fossilen Brennstoffen mit nahezu null Emissionen. Lithium-Ionen-Akkus nehmen allerdings viel Platz in einer Maschine ein und müssen regelmäßig aufgeladen werden. Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen bieten die Vorteile der Elektrifizierung mit einer höheren Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkus. Wasserstoff-Brennstoffzellen bieten zwar eine kompaktere Lösung als Lithium-Ionen-Akkus für den Antrieb größerer Maschinen, aber die Speicherung und Verteilung großer Mengen an Wasserstoff ist mit Herausforderungen verbunden.

Modulare Elektrifizierungslösungen

Parker Hannifin bietet modulare Elektrifizierungslösungen, um Energiealternativen für Kunden zu realisieren. Die GVI-Produktreihe der globalen Fahrzeugwechselrichter und die GVM-Produktpalette der globalen Fahrzeugmotoren sind für diese Lösungen von zentraler Bedeutung: Die mobilen GVI-Wechselrichter haben einen Betriebsbereich von 200 bis 800 V, wobei die drei Modelle Amperewerte von 360, 180 beziehungsweise 108 A liefern können. Als kritische Komponente für die Sicherheit elektrifizierter mobiler Maschinen erfüllen GVI-Wechselrichter sowohl EN ISO13849 als auch ISO26262.

Ebenso die mobilen GVM-Motoren sind Permanentmagnet-Wechselstrommotoren (PMAC) mit einem Betriebsbereich, der auf die GVI-Wechselrichter abgestimmt ist. GVM-Motoren bieten ein Spitzendrehmoment von 1.430 Nm, eine Spitzenleistung von 409 kW und eine Spitzendrehzahl von 9.500 U/min.

Energieverluste erkennen

Mobile Maschinen verbrauchen Energie, wobei jedoch nur ein kleiner Teil dieser Energie in nützliche Arbeit umgewandelt wird. Es ist wichtig zu wissen, wie viel Energie während des Maschinenbetriebs für welchen Zweck verbraucht wird. Ingenieure verwenden Energiekarten, um den Energieverbrauch in den einzelnen Phasen eines Arbeitszyklus zu analysieren. Dieser Prozess ermöglicht es ihnen, Energieverluste zu erkennen und ihr Design im Hinblick auf die Energieeffizienz zu optimieren. Möglichkeiten zur Energierückgewinnung können ebenfalls untersucht werden, um die Batterielebensdauer in elektrischen mobilen Maschinen zu maximieren. Das Herzstück einer digitalen Lösung ist das mobile Steuerungssystem, das eine modellbasierte Funktionsumgebung verwendet, um eine Vielzahl von diskreten Sensoren zu verbinden und so funktionale Sicherheit zu gewährleisten. Der Ausgang dieser Steuerungen ist mit intelligenten Geräten verbunden, die elektromechanische Systeme der Maschine mit optimaler Energienutzung und innerhalb sicherer Grenzen antreiben. Parker bietet Produkte, die einen wichtigen Beitrag zur Digitalisierung mobiler Maschinen leisten: Die mobilen VA-Ventile der nächsten Generation sorgen für geringere Druckverluste als herkömmliche Load-Sensing-Ventile, wodurch Energie gespart wird.

Intelligente Softwarefunktionen ermöglichen eine verbesserte Produktivität, während die individuelle Dosierung ebenfalls zur Steigerung der Effizienz beiträgt. Studien haben gezeigt, dass intelligente Ventile mit individueller Dosierung im Vergleich zu herkömmlichen Load-Sensing-Ventilen bei gleicher Maschinenproduktivität den Pumpendruck um 11 % und den Energieverbrauch um 8,4 % senken. Außerdem die in fünf verschiedenen Modellen erhältlichen mobilen, hydraulischen Verstellpumpen P1M decken einen Hubvolumenbereich von 28 bis 85 cm³ ab. Die leistungsstarke elektronische Hubvolumenregelung liefert genau die Leistung, die Sie benötigen.

Synergie von Elektrifizierung und Digitalisierung

Gemeinsam optimieren Elektrifizierung und Digitalisierung das Zusammenspiel von elektromechanischer und hydraulischer Systemauslegung. Dies bedeutet, dass die für die Hydraulikfunktion benötigte Leistung genau zum richtigen Zeitpunkt bereitgestellt wird. Durch die zurückgewonnene Energie wird die Batterie wieder aufgeladen, was ihre Lebensdauer vor dem Aufladen verlängert. Jede Komponente einer elektrifizierten, mobilen Arbeitsmaschinenlösung erfüllt eine eigene Funktion. Ihre Leistungen können optimiert werden, indem sie zu einem einheitlichen, auf Zusammenarbeit ausgelegten System kombiniert werden. Eine konfigurierte ePump-Lösung ist beispielsweise ein hocheffizientes System, das einen Wechselrichter, einen Motor und eine Hydraulikpumpe enthält. Die ePump bietet ein höchst dynamisches Ansprechverhalten über einen weiten Bereich der Drehzahl- und Drehmomentregelung. Konstrukteure können die Leistungsdichte über den gesamten Arbeitszyklus sowie die Flüssigkeitskühlung im gesamten System optimieren.

Softwaretools können zudem Systemdesigns mit einem flexiblen Maschinenlayout vereinfachen. So ist es beispielsweise effizienter, Energie elektrisch anstatt hydraulisch zu übertragen. Es kann also von Vorteil sein, einen separaten Elektromotor für jede Achse einer mobilen Maschine zu nutzen, anstatt einen Motor mit beiden Achsen zu verbinden. Sobald die Maschine in Betrieb genommen wurde, verwenden die Steuerungen Sensorinformationen über Temperatur, Druck und Durchfluss in den Hydraulikkreisen und im elektrischen System, um optimierte Ausgänge zur Steuerung der Elektromotoren zu generieren. Anders ausgedrückt, ermöglicht die Digitalisierung dem elektromechanischen System, die Hydraulik so energieeffizient wie möglich zu betreiben.

Partner bei der Elektrifizierung

Mobile Maschinen mit Dieselmotoren, die Hydraulikpumpen antreiben, gibt es in ihrer Grundform seit Jahrzehnten. Der Übergang zur Elektrifizierung ist für viele OEMs jedoch Neuland. Daher verfügen sie nicht über die fundierten Kenntnisse zu den Komponenten oder die Ressourcen, die für diese Umstellung nötig sind. Aus diesem Grund benötigen OEMs Partner, die das erforderliche Know-how bereitstellen und die Markteinführung elektrifizierter Modelle ihrer mobilen Maschinen beschleunigen. Parker beschäftigt sich bereits seit 100 Jahren mit Hydrauliksystemen und hat im Laufe dieser Zeit tiefe Einblicke in das funktionale Design mobiler Maschinen gewonnen. Die Produktpalette wird ergänzt durch die Expertise bei der Entwicklung von Systemen, die als eine Einheit funktionieren, um die gewünschte Einschaltdauer von Maschinen in vielen verschiedenen Anwendungen zu erreichen.