Zukünftige Maschinenkonzepte
Ob Ökoantrieb oder neue Bedienkonzepte – die Baumaschinen der Zukunft werden sich deutlich von heutigen Modellen unterscheiden
Vor dem Hintergrund steigender Energiepreise und der Endlichkeit fossiler Energieträger spielt die Effizienz bei Baumaschinen für den Kunden eine immer wichtigere Rolle. Über die Entwicklungs- und Forschungsarbeit in eigenen Entwicklungszentren hinaus arbeitet Volvo CE mit führenden Universitäten in Deutschland zusammen, um innovative Lösungen zu der Problemstellung zu finden. Zu Erprobungszwecken stellt Volvo CE den Hochschulpartnern Baumaschinen als Versuchsträger zur Verfügung. Professoren, Ingenieure und Studenten verschiedenster Fachbereiche und Fakultäten arbeiten hier eng zusammen, um neue, umweltschonende und betriebskostensenkende Baumaschinen-Konzepte zu entwickeln.
Zukünftige Ansätze (ERMA)
Im Rahmen des durch die Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation geförderten Verbundforschungsprojektes am Zentrum für Nutzfahrzeugtechnologie der TU Kaiserslautern wurden zukünftige energieffeffiziente Maschinenkonzepte auf Basis eines Volvo-Mobilbaggers erforscht und mit realen Kundennutzungsdaten am Computer numerisch simuliert, um so mögliche Einsparpotentiale aufzuzeigen.
Die entwickelten Konzepte reichen von Optimierungsmaßnahmen am bestehenden Hydrauliksystem mit Einsparungspotenzialen von ca. 10 % und einer zeitlich kurzfristigen Umsetzbarkeit bis hin zu vollelektrischen Antriebslösungen und Einsparpotentialen von über 50 % (mittel bis langfristige Ansätze für die nächsten Jahre bis Jahrzehnte). Zu der Untersuchung gehören auch Betrachtungen zu den Reibverlusten in den Einzelkomponenten wie z.B. Zylinder und Getriebe mit Verbesserungsmöglichkeiten.
Insgesamt zeigt sich, dass gerade die Elektrifizierung große Potentiale bietet. Zur Bereitstellung der elektrischen Energie werden eine Kombination aus Dieselmotor und Generator oder eine Brennstoffzelle eingesetzt. Für ortsgebundene Arbeitsaufgaben ist darüber hinaus eine Versorgung über ein Kabel denkbar. Mithilfe der elektrischen Energieübertragung kann beispielsweise der Dieselmotor über eine Batterie vom momentanen Leistungsbedarf des Gesamtsystems entkoppelt werden. Die Batterie puffert dabei die Spitzenleistungen ab und ermöglicht es so, den Betriebspunkt des Dieselmotors frei zu wählen. Dieser kann dadurch bei hohen Wirkungsgraden betrieben werden. Die untersuchten Konzepte weisen zwar recht hohe Energieeinsparpotentiale auf, jedoch sind sie nach heutigem Stand in der Serie noch nicht wirtschaftlich zu betreiben. Maschinen verbrauchen nicht nur Energie während ihrer Nutzungsphase beim Kunden.
Im Rahmen des ERMA Projektes wurde daher der Energieverbrauch über den kompletten Lebenszyklus betrachtet. Das bedeutet, dass beispielsweise nicht nur die Einsparung von Energie und Ressourcen beginnend bei der Rohstofferzeugung, über die Produktion bis zur Entsorgung analysiert wurden, sondern auch das kraftstoffintensive Arbeiten in spezifischen Betriebsszenarien, sowie die Wahl des Energieträgers selbst. Die Bewertung liefert Ergebnisse auf Basis eines intellektuellen Produktes, also dem digitalen Modell in der frühen Entwicklungsphase. Es werden keine Ressourcen verschwendet, sondern die technischen Kreisläufe der zukünftigen Lösung vorausschauend bewertet. Beim heutigen Stand der Technik wird eine solche Betrachtung bereits am fertigen Produkt durchgeführt. Im Projekt wurde eine Methode am Beispiel eines Mobilbaggers aufgezeigt und erprobt, die diese Analyse bereits in der Entwicklung ermöglicht. Damit lassen sich die Umweltauswirkungen eines späteren Produkts frühzeitig abschätzen und verbessern.
Steigerung der Energieeffizienz in der Arbeitshydraulik mobiler Maschinen (STEAM): Optimierung des Baggers als Gesamtsystem
Volvo CE arbeitet im Rahmen des vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts STEAM mit dem Lehrstuhl für fluidtechnische Antriebe und Steuerung der RWTH Aachen (IFAS) zusammen. Ähnlich zu ERMA, steht auch bei STEAM der Mobilbagger als zu optimierendes Gesamtsystem im Mittelpunkt: Eine Effizienzsteigerung in einem Teilsystem kann sich an anderer Stelle negativ auswirken. Die niedrigsten spezifischen Kraftstoffverbräuche werden im Allgemeinen bei hohen Drehmomenten und mittleren Drehzahlen erreicht. Bei Arbeitsmaschinen, die vornehmlich für den Transport genutzt werden, wie beispielsweise Radlader, variiert die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine mit der Fahrgeschwindigkeit und der eingestellten Übersetzung. Bei Baggern hingegen, deren Hauptaufgabe das Arbeiten und weniger das Fahren ist, wird vorzugsweise eine konstante Drehzahl eingestellt. Diese Drehzahl wird für volle Leistungsentfaltung in den Bereich der maximalen Leistung gelegt. Bei Ketten- und Umschlagsbaggern wird die maximale Leistung auch sehr häufig abgefordert. Mobilbagger benötigen jedoch oft nicht die volle Leistung. Dann wird der Motor im Teillastbereich bei vergleichsweise niedrigen Wirkungsgraden betrieben. Der Grundgedanke von STEAM beruht auf einer konstanten Belastung des Motors in ihrem optimalen Arbeitsbereich. Hierzu wird ein Konstantdrucksystem mit einer Konstantpumpe in einer Speicherladeschaltung verwendet. Aufgrund des konstanten Fördervolumens der Pumpe und des relativ konstanten Systemdrucks wird der Motor so in einem engen Betriebsbereich konstant belastet.
Ziel des neuartigen Hydrauliksystems STEAM ist die Optimierung des Baggers als Gesamtsystem. Das bedeutet neben der Entkoppelung von Subsystemen mit hydraulischen Speichern und aufgelösten Steuerkanten wird die Maschine hinsichtlich des sehr breiten Anwendungsspektrums eines Mobilbaggers erprobt und neue Steuerungskonzepte in Zusammenarbeit von Universität, Industrie und Anwender entwickelt. In Berechnungen wurde bereits das Potential aufgezeigt den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, Emissionen zu senken und die Produktivität weiter zu erhöhen. Im Rahmen des STEAM Projekts werden jetzt diese theoretischen Ergebnisse an einem Versuchsträger (18-t Mobilbagger) in der Praxis validiert und mit dem heute etablierten Hydrauliksystem im realen Einsatz verglichen.
