Elektroschock: Off-Highway ist nicht mit Hydraulik erledigt

Der neue Kompaktlader T7X von Bobcat steht ganz im Zeichen der Nachhaltigkeit. Wie andere schwere Maschinen, die in letzter Zeit von mehreren Herstellern auf den Markt gebracht wurden, verwendet der T7X einen Elektroantrieb anstelle eines Diesel- oder Benzinmotors. Der T7X unterscheidet sich jedoch dadurch, dass er ebenfalls elektrische Antriebe anstelle von Hydraulik verwendet.

Wie wird diese Maschine durch den Wegfall des Hydrauliksystems nachhaltiger? Schließlich verbrennen Hydrauliksysteme keinen Kraftstoff und erzeugen daher keine großen Mengen an Abgasen. Sie können zwar kleine Mengen an Dämpfen aus der Entlüftung des Behälters in die Atmosphäre abgeben, aber diese Emissionen lassen sich leicht auffangen und in den Hydraulikbehälter zurückführen.

Wenn also der Anstoß, hydraulische Antriebe durch elektrische zu ersetzen, nicht auf die Emissionen zurückzuführen ist, müssen die wahrgenommenen Nachteile der Hydraulik - insbesondere die Leckagen - der Grund dafür sein. Es herrscht die Meinung vor, dass hydraulische Systeme undicht sind und zu Umweltschäden führen. Diese Wahrnehmung ist so weit verbreitet, dass ein ganzer Markt entstanden ist: umweltfreundliche Hydraulikflüssigkeiten, die im Falle eines Lecks die Umweltschäden minimieren sollen.

Eine einfachere Lösung ist eine alte Frage, die seit mehr als 70 Jahren diskutiert wird: Schulung. Durch eine ordnungsgemäße Konstruktion, Installation und Wartung lassen sich die meisten Leckagen von vornherein vermeiden. Jeder Sektor, der mit hydraulischen Geräten in Berührung kommt, muss erfolgreiche Best Practices befolgen, einschließlich solcher, die:

• • Konstruktion und Herstellung von Bauteilen,

• • entwerfen hydraulische Systeme und spezifizieren deren Komponenten,

• • installieren und reparieren Komponenten und Systeme, und

• routinemäßige und vorbeugende Wartung durchführen.

Wenn das Personal bei einer dieser Aufgaben versagt, kann das Hydrauliksystem undicht werden. Daher ist eine Schulung, die den Mitarbeitern bewusst macht, was Leckagen verursacht und wie sie verhindert werden können, von entscheidender Bedeutung für eine leckagefreie Hydraulikanlage.

Hydraulische Systeme werden auch als eine Art Blackbox wahrgenommen. Wenn etwas nicht funktioniert, ruft der Benutzer geschulte Mechaniker und Techniker zur Fehlersuche und Reparatur herbei. Das ist dasselbe wie bei Fehlfunktionen in komplizierten Steuerungen und elektromechanischen Systemen. Hydraulische Systeme sind nicht mysteriöser als andere Antriebssysteme, die spezielle Kenntnisse und Erfahrungen erfordern. Es ist nur einfacher, Experten zu finden, die sich mit elektrischen Systemen auskennen, als kompetente Fachleute für Hydraulik zu finden.

Elektrische Off-Highway-Ausrüstung

Der T7X mag der erste vollelektrische Kompaktlader auf dem Markt sein, aber Volvo AB hat bereits 2017 einen vollelektrischen Minibagger vorgestellt. Der Prototyp mit der Bezeichnung EX02 nutzte Elektromotorantriebe und elektromechanische Aktuatoren für seine Antriebsfunktionen, sodass er keine Hydraulik enthielt.

Ein Besuch auf der Volvo-Website liefert jedoch keine neuen Informationen seit der Einführung des EX02. Tatsächlich sind alle "vollelektrischen" Maschinen von Volvo, die seither auf den Baumarkt gekommen sind, eigentlich hydraulische Hybride - sie haben ein Hydrauliksystem, das von einem Elektromotor mit variabler Geschwindigkeit angetrieben wird.

Ich erhielt keine Antwort von Volvo, als ich mich nach dem Status des EX02 erkundigte. Vielleicht haben die Entwickler also festgestellt, dass die elektrischen Tauchgeräte nicht mit der Leistung, Haltbarkeit und Langlebigkeit der hydraulischen Geräte mithalten können. Tatsächlich haben auch Doosan, Volvo, Caterpillar, Komatsu, JCB, Case CE und Wacker Neuson Minibagger auf den Markt gebracht, und alle sind Hydraulik-Hybride.

Wie bei anderen vollelektrischen Maschinen, die auf dem Baumarkt eingeführt wurden, werden auch beim Kompaktlader T7X von Bobcat drehzahlvariable Elektromotoren im Bodenantrieb eingesetzt. Das ist nicht überraschend, denn elektrische Radantriebe werden schon seit Jahrzehnten eingesetzt. Große Erdbewegungs-LKWs nutzen in großem Umfang elektrische Antriebe, ebenso wie Eisenbahnlokomotiven. Traditionell werden sie von einem Dieselmotor angetrieben, der einen großen Generator antreibt, der die Räder mit Strom versorgt.

Bei Baumaschinen geht der Trend bei Baggern dahin, den Hydraulikmotor im Schwenkantrieb der Maschine durch einen Elektromotor zu ersetzen. Elektromotoren haben ein hohes Anfahrdrehmoment, das für eine schnelle Beschleunigung der Drehbewegung sorgt. Dieses hohe Anlaufdrehmoment ist auch für Rad- und Raupenantriebe von Vorteil, insbesondere in Verbindung mit einem Planetengetriebe am Ausgang des Motors.

Profil der T7X

Justin Odegaard, Acceleration Manager bei Doosan Bobcat North America, erklärte in einer Pressemitteilung, dass die Konstrukteure beim neuen T7X aus zwei Gründen auf die Hydraulik verzichten wollten.

"Erstens hat ein Hydrauliksystem viele Verbindungen und Komponenten", so Odegaard. "Jede Verbindung in einem System stellt eine Möglichkeit für ein Leck dar. Die Eliminierung der Hydraulik bedeutet, dass das Risiko von Leckagen und somit auch das Potenzial für Ausfallzeiten eliminiert wird.

"Zweitens ist die Umstellung auf eine vollelektrische Plattform sehr viel effizienter als eine Batterie, die ein hydraulisches System betreibt. Dadurch haben wir längere Betriebszeiten, ohne dass wir eine größere Batterie benötigen, was die Produktivität und Effizienz über die gesamte Lebensdauer der Maschine erhöht.

Die erste Behauptung von Odegaard bezieht sich auf die häufige Kritik an Hydrauliklecks. Leckagen treten auf, wenn Bediener, Mechaniker und andere davon ausgehen, dass sie mit hydraulischen Systemen verbunden sind. Doch wie bereits erwähnt, lassen sich Häufigkeit und Schweregrad von Leckagen durch den Einsatz gut ausgebildeter Mitarbeiter, die sich an bewährte Verfahren halten, drastisch reduzieren.

Der zweite Punkt von Odegaard bezieht sich auf ein bestimmtes Systemdesign. Individuelle Systemauslegungen, wie z. B. die Spannung des elektrischen Systems und die Batteriekonfiguration, variieren stark zwischen den OEMs von Elektroladern und Minibaggern. Genauso wie diese Variablen die Effizienz beeinflussen können, kann auch die Auslegung des Hydrauliksystems, das einen Elektromotor antreibt, durch den Hersteller beeinflusst werden. Ein Hydrauliksystem mit einer verstellbaren Kolbenpumpe beispielsweise verbessert den Wirkungsgrad und die Leistung erheblich gegenüber einem System mit einer Zahnradpumpe.

Odegaard fügte hinzu, dass der T7X mit einem 460-V-Stromsystem arbeitet. "Diese Spannung bietet die Effizienz, die wir im Hinblick auf die Gesamtkonstruktion gesucht haben", sagte er in der Bobcat-Pressemitteilung.

Eine 62-kW-Lithium-Ionen-Batterie in Bauqualität versorgt das Raupensystem des Laders und alle Funktionen der Arbeitsgruppe. Eine volle Batterieladung reicht für den täglichen Arbeitseinsatz von bis zu vier Stunden Dauerbetrieb und einen normalen, ganztägigen Betrieb bei intermittierendem Einsatz.

Bobcat-Vertreter vergleichen die Leistung des T7X mit der seines konventionellen Gegenstücks T76. Der T7X hat ein Betriebsgewicht von 12.187 Pfund und ist damit fast 20 % schwerer als der 10.250 Pfund schwere T76. Odegaard fügte hinzu, dass es sich bei dem T7X-Lader um eine Premium-Konfiguration handelt, deren Preis etwa dreimal so hoch ist wie der eines gut ausgestatteten T76-Laders. Der Betrieb des T7X-Laders kostet jedoch fast 90 % weniger als der eines T76-Laders.

Die Vorteile eines reinen Elektroantriebs

Obwohl der T7X auf Nachhaltigkeit ausgelegt ist, ist er auch eine intelligente Maschine mit Software-Konnektivität über Zwei-Wege-Telematik-Kommunikation. Doosan Bobcat hat mit Moog Inc. zusammengearbeitet, einem weltweiten Entwickler von Komponenten und Systemen zur Bewegungssteuerung, um die Forschung und Entwicklung für die elektronischen Steuerungsfunktionen des T7X zu beschleunigen. Moog entwickelte und lieferte eine Plattform, die Daten über die Maschinenleistung liefert und es dem Bediener ermöglicht, die Maschineneinstellungen zu ändern, die Leistung auf bestimmte Arbeitssituationen abzustimmen und die Produktfunktionen zu erweitern. Dazu gehören eine variable Antriebsgeschwindigkeit bei vollem Drehmoment und andere Funktionen, die mit einer dieselhydraulischen Maschine nicht möglich sind.

Moog hat ein effizientes System mit dezentraler Steuerung entwickelt, das die Leistung nur dann und dort abgibt, wo sie benötigt wird, z. B. beim Heben einer Last oder beim Bewegen von einer Seite zur anderen, und somit wenig bis gar keine Energie verschwendet. Das Energiemanagementsystem erkennt, wenn die Last steigt, und reduziert automatisch die Leistung, wenn sie nicht benötigt wird. All diese Funktionen tragen dazu bei, Energie zu sparen und die Betriebszeit der Maschine zu verlängern.

"Im Allgemeinen", so Daniel Foster, Direktor für Technologie, Wachstum und Innovation bei Moog, in einem E-Mail-Austausch, "ist unser Ansatz, dass die Simulation und Analyse des Gesamtsystems - einschließlich aller Massen- und statischen Lasten sowie der Steifigkeit des gesamten Systems - erforderlich ist, wenn es um die Konstruktion von Aktuatoren, Halterungen und dem zugehörigen Steuerungssystem zur Bewältigung der Stoßbelastungen geht. Wie der robuste Systemansatz in der Hydraulik können auch elektromechanische Systeme (bei richtiger Auslegung) hohe Impuls- und Stoßbelastungen bewältigen. Die Überlegungen zur Steuerung und zum zeitlichen Ablauf von Ereignissen unterscheiden sich jedoch von denen in der Hydraulik."

Die Systemsoftware von Moog lernt, Bewegungen und Abläufe zu optimieren, während der T7X arbeitet. Moog erklärte, dass die Glättung der Spitzenzeiten des Energieverbrauchs die Betriebszeit um mehr als 25 % erhöhen kann.

Vergleich zwischen Elektromechanik und Hydraulik

Die vielleicht kritischsten Komponenten des T7X sind die elektromechanischen Linearantriebe von Moog, die den Begriff "Elektrozylinder" bevorzugen. Der T7X verwendet ein Paar Elektrozylinder für die Schaufelkippfunktion und ein zweites Paar für den Schaufelhub.

"Wir entwerfen und fertigen unsere eigenen Spindeln und Aktuatoren", so Foster, "daher haben wir spezielle Werkzeuge zur Analyse und Validierung der Designs entwickelt. Die Moog-Kugelmuttern und -Rückführungen sind so konstruiert, dass der Verlust von Kugeln aus einem Kreislauf kein Problem darstellt. Die Auslegung auf Betriebslasten, Ausfallarten und die damit verbundenen Kontaktspannungen ist der Schlüssel zur Einhaltung der Lebensdauer."

Jeder Elektrozylinder ist eine Kugelumlaufspindel, die von einem Elektromotor mit variabler Geschwindigkeit angetrieben wird, der in einer einzigen Komponente mit Schutzart IP-67 integriert ist. Die Elektrozylinder für den Schaufelhub haben einen maximalen Hub von 740 mm, eine Spitzen- und Dauerkraft von 130 kN bzw. 55 kN und eine maximale Geschwindigkeit von 225 mm/s. Die Elektrozylinder für die Kippbewegung haben einen maximalen Hub von 346 mm, eine Spitzen- und Dauerkraft von 110 kN bzw. 45 kN und eine maximale Geschwindigkeit von 107 mm/s.

Für diejenigen, die sich mit Hydraulik auskennen, stellt sich die große Frage, ob diese Elektrozylinder dem regelmäßigen Einsatz und der Beanspruchung durch die Bediener standhalten können. Schließlich werden Lader oft nicht nur zum Schaufeln und Abkippen von losem Material eingesetzt, sondern auch zum Abkratzen von Asphalt und anderen Materialien von Beton, zum Graben in felsigem Boden und zum Lösen großer Felsen oder Betonbrocken, damit diese entfernt werden können.

Hydraulikzylinder sind dafür bekannt, dass sie eine starke Verschmutzung vertragen. Schlamm, Schmutz, Sand, schwerer Staub und andere in der Luft befindliche Partikel können mit der Kolbenstange eines Zylinders in Berührung kommen, aber Stangenabstreifer und Dichtungen reduzieren das Eindringen von Partikeln in das Hydrauliksystem. Außerdem zirkuliert die Flüssigkeit regelmäßig durch Filter. Solange die Filter ordnungsgemäß gewartet werden, kann ein Hydrauliksystem in extrem schmutzigen Umgebungen auf unbestimmte Zeit erfolgreich arbeiten. Elektromechanische Aktuatoren haben in der Regel nicht den Luxus, verunreinigtes Schmiermittel durch ein Filtersystem zirkulieren zu lassen.

Foster von Moog ist jedoch der Ansicht, dass elektromechanische Systeme robuster gegenüber internen Verunreinigungen sind als hydraulische Systeme. "Die Abdichtung ist wirklich der Schlüssel für höchste Zuverlässigkeit und Lebensdauer", sagte er. "Im Falle eines Dichtungsversagens und der daraus resultierenden internen Verschmutzung, wenn der Aktuator oder das Getriebe beschädigt wird und eine verminderte Leistung aufweist, wird auch der Wirkungsgrad reduziert. Da der Wirkungsgrad über die gesamte Lebensdauer des Aktuators überwacht werden kann, kann er als 'austauschbares Teil' ausgetauscht werden, ohne dass andere Teile des Systems beeinträchtigt werden."

Eine systemweite Verschmutzung und Beschädigung ist kein Ausfallmodus elektromechanischer Systeme, sagte er. Der Austausch eines Bauteils, das durch eine Leitung ersetzt werden kann, erfordert nicht das Entleeren, Spülen, Auffüllen und Entlüften eines Hydrauliksystems.

Ein weiteres Problem, wenn auch in geringerem Maße, ist die örtlich begrenzte Wärmeentwicklung. Elektromotoren können bei häufigen Starts, Stopps und Umkehrungen erhebliche Wärme erzeugen. Laut Foster werden die wichtigsten Fahr- und Antriebsmotoren, Servoantriebe, Leistungsmanagementmodule und häufig auch die Batterien mit einer Propylenglykol-Lösung gekühlt. Das Kühlsystem ist zentralisiert und verfügt über Niederdruck-Kühlleitungen.

Selbst wenn sich der Bobcat T7X als großer Erfolg erweisen sollte, wird er noch nicht das Ende der Hydraulik in mobilen Maschinen bedeuten. Der hohe Preis wird die Zahl der verkauften Einheiten begrenzen und damit Preissenkungen verhindern, die sich sonst aus dem Verkauf großer Mengen ergeben würden.

Auch die Batterien selbst stellen eine Einschränkung dar. Die Ausfallzeiten, die mit dem Aufladen der Maschinen einhergehen, schränken ihren Einsatz für mehrere Schichten pro Tag ein, bis es eine schnelle und einfache Methode gibt, um verbrauchte Batterien gegen frisch geladene auszutauschen.

Eine weitere Einschränkung ist die Skalierung. Der Bobcat T7Z ist eine kleine Maschine in der Welt der Baumaschinen. Selbst wenn es möglich wäre, ist die Anwendung der Technologie auf größere Maschinen auf absehbare Zeit wahrscheinlich zu kostspielig.

Daher ist die Besorgnis über die Abschaffung der Hydraulik bei Off-Highway-Maschinen derzeit verfrüht. Aber wer weiß? Es könnte etwas sein, das Ihre Urenkel betreffen könnte - wenn sie alt werden.

Warum Baumaschinen?

Elektroautos werden seit Jahrzehnten als die Zukunft des Verkehrs angepriesen. Doch bis die Technologie über Blei-Säure-Batterien hinausging, waren Elektroautos nie mehr als verherrlichte Golfwagen. Blei-Säure-Batterien haben einfach nicht das Zeug für Langstreckenfahrten.

Dann kamen die Lithium-Ionen-Batterien auf den Markt. Sie revolutionierten das Elektrofahrzeug so sehr, dass wir heute ernsthaft darüber diskutieren, wie es eines Tages das mit fossilen Brennstoffen betriebene Fahrzeug ersetzen könnte. Unbekannt ist jedoch, ob Elektroautos für Langstreckenfahrten geeignet sind. Trotz aller Fortschritte bei der Reichweite kann ein Elektroauto immer noch nicht sechs oder mehr Personen und deren Gepäck befördern und an einem Tag 600 Meilen oder mehr zurücklegen - vor allem, wenn man eine Heizung oder Klimaanlage benötigt.

Das Haupthindernis, das es zu überwinden gilt, ist die Frage, wie man eine verbrauchte Batterie schnell wieder aufladen oder austauschen und die Fahrt in etwa der gleichen Zeit fortsetzen kann, die man zum Tanken benötigen würde. Das Problem scheint nicht das Fahrzeug zu sein, sondern eher die Infrastruktur, d.h. die Ladestationen, die benötigt werden, um eine leere Batterie wieder aufzuladen.

Viele Nutzfahrzeuge - insbesondere solche, die auf Baustellen eingesetzt werden - haben dieses Problem nicht. Sie nutzen ihre Energie zum Graben, Heben, Zerkleinern, Schieben und für eine Vielzahl anderer Aufgaben, bei denen keine langen Strecken zurückgelegt werden müssen. Das bedeutet, dass ein Bauprojekt eine transportable Ladestation auf der Baustelle vorhalten und die Fahrzeuge während des Arbeitstages zum Aufladen einplanen kann.

Ein ähnlicher Vorteil besteht bei Fahrzeugen, die auf festen Routen fahren, wie z. B. Müllwagen und Busse. Solange sie ihre Strecke mit einer einzigen Ladung zurücklegen können, müssen sie die Batterien bis zum Ende der Schicht nicht austauschen oder aufladen.

-Alan Hitchcox, Spezialist für technische Kommunikation