Startseite / Redaktion / Suche / Kontakt / Impressum
 

Elektrische Antriebe bei Baumaschinen

Straßenfertiger unter Strom

Moderne Straßenfertiger müssen Extremes leisten. Sie bringen den Asphalt auf die Straße auf und sollen dabei nicht nur präzise, sondern auch möglichst leise und ohne viel Kraftstoffverbrauch arbeiten. An der Technischen Hochschule (TH) Köln hat ein Team vom Kölner Labor für Baumaschinen einen Straßenfertiger mit diesel-elektrischem Hybrid-Antrieb entwickelt, der diesen Anforderungen gerecht wird.//Von Grit Petersohn und Christian Alo

09.02.2016//Auf den Straßen sind sie längst unterwegs: Hybridfahrzeuge. Städte rüsten ihre Busflotten auf Hybrid-Antriebe um und immer mehr Privatpersonen entscheiden sich für einen Hybrid-Pkw – aus gutem Grund. Hybridfahrzeuge sind besonders effizient, das heißt, sie sparen Kraftstoff. Deshalb wird an der Entwicklung von diesen alternativen Antrieben seit einiger Zeit intensiv geforscht.

Wie wichtig diese Alternativen auch im Bereich von Nutzfahrzeugen sowie mobilen Straßenbaumaschinen sind, zeigt ein Forschungsprojekt des Kölner Labors für Baumaschinen (KLB) der TH Köln. Am Institur für Landmaschinentechnik und Regenerative Energien hat ein Team von sechs Mitarbeitern an der Entwicklung eines Staßenfertigers mit einem diesel-elektrischen Antrieb gearbeitet. Das Projekt ist gelungen, der erste Hybrid-Straßenfertiger steht seit Kurzem zu Demonstrationszwecken zur Verfügung.

Straßenfertiger werden zum Bau von Straßen eingesetzt. Auf der einen Seite der Baumaschine wird das Material für den Straßenbelag (z.B. Bitumen) hineingekippt, auf der anderen Seite kommt eine vorverdichtete Fahrbahn heraus. Hinter diesem vermeintlich simplen Vorgang steckt eine ausgeklügelte Fahrzeugtechnik.

 

Vorteile des Hybrid-Straßenfertigers

Der neue diesel-elektrische Antrieb der Maschine bietet viele Vorteile. In Hybrid-Fahrzeugen wird ein Verbrennungsmotor (hier: Dieselmotor) mit einem Generator kombiniert. Der große Erfolg beruht darauf, dass das Konzept des Hybrids die Stärken unterschiedlicher Antriebsmaschinen optimal ausnutzt. Dabei arbeiten die einzelnen elektrischen Antriebe energieeffizient sowie bedarfsgerecht.

Dadurch sinkt der Kraftstoffverbrauch und der Kohlendioxid-Ausstoß erheblich. Der Straßenfertiger der TH Köln verbraucht im Vergleich zu einem handelsüblichen diesel-hydraulischen Fertiger mit gleicher Einbau-Leistung bis zu 60 Prozent weniger Kraftstoff und benötigt rund 85 Prozent weniger Hydrauliköl.

"Ausgangspunkt unseres Projekts war ein diesel-hydraulischer Mittelklasse-Straßenfertiger mit einer Einbauleistung von 250 Tonnen pro Stunde. Diesen haben wir vollständig entkernt und zu einem Demonstrator mit diesel-elektrischem Antriebsstrang umgebaut", erläutert Alexander Geier, wissenschaftlicher Mitarbeiter vom KLB. Im Vergleich zum diesel-hydraulischen benötigt der diesel-elektrische Antrieb ca. 30 Prozent weniger der Dieselmotorleistung, kann aber die gleiche Menge Material pro Stunde bei gleicher Qualität einbauen.

Modell des Hybrid-Straßenfertigers der TH Köln

Straßenfertiger sind Schlüsselmaschinen im Asphaltstraßenbau. (Grafik: Technische Hochschule Köln. Kölner Labor für Baumaschinen.)

"Wir haben experimentell und analytisch ermittelt, wie viel Leistung die einzelnen Funktionen und Arbeitsprozesse im Straßenfertiger benötigen. So konnten wir die Maschine bedarfsgerechter auslegen und bessere Wirkungsgrade erzielen. Auf diese Weise erreichen wir die gleiche Einbauleistung wie herkömmliche Antriebe", erklärt Professor Alfred Ulrich, Leiter des Kölner Labors für Baumaschinen.

 

Details zum Antrieb

Der alte diesel-hydraulische Antrieb arbeitete noch mit einem Pumpenverteilergetriebe und insgesamt acht Pumpensträngen. Diese Technik wurde vom Team der TH Köln komplett ausgebaut und durch eine Dieselmotor-Generator-Einheit ersetzt. Nun wird die Energie des Dieselmotors durch den Synchrongenerator in elektrische Energie gewandelt und über ein 400 Volt-Bordnetz in der Maschine verteilt. Synchrongeneratoren sind in der Energiewirtschaft unentbehrlich, denn sie stellen die elektrische Energie bereit. Sie sind vielfältig einsetzbar, so auch als Antrieb für den Hybrid-Straßenfertiger.

Insgesamt 16 drehende Antriebe arbeiten jetzt elektrisch, die meisten mit hocheffizienten permanentmagneterregten Synchronmotoren. Die verbleibenden Hydraulikzylinder werden über eine kompakte Einheit aus Elektromotor, Konstantpumpe und kleinem Tank sowie aus zwei Druckspeichern versorgt. Die drehzahlgeregelte Pumpe fördert dabei nur den tatsächlich erforderlichen Volumenstrom, Spitzenleitungen werden durch die Speicher abgedeckt.

Demonstration des Straßenfertigers an der TH Köln

Videobeitrag von Christian Alo und Grit Petersohn

Und dabei ist der so angetriebene Straßenfertiger auch noch deutlich leiser, da der Dieselmotor bei einer geringeren Drehzahl arbeitet. Ein wesentlicher Pluspunkt von Hybrid-Fahrzeugen. Beim Anfahren werden die beiden elektrischen Fahrantriebe sanft angesteuert. Diese sind energieeffizient. Damit wird neben der Lärmbelästigung für den Fahrzeugführer auch der Schadstoffausstoß für die Umwelt deutlich reduziert.

Die Diskussion über den Klimawandel hat längst auch zu einem eindeutigen Umdenken bei Nutzern der Baumaschinen und Herstellern auf der ganzen Welt geführt. Schließlich gelten Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor wegen des enormen CO2-Ausstoßes als Hauptverursacher des weltweiten Klimawandels. Auch mobile Arbeitsmaschinen müssen sich daher an Emissionsrichtlinien halten. Die Abgasgesetzgebung legt europaweit Werte für Schadstoffemissionen durch Industriemotoren fest (Richtlinie 97/68/EG vom 16. Dezember 1997). „Für sogenannte "Non-road engines", zu denen Baumaschinen gehören, gelten in den USA "Tier-Standards" und in der EU die "Euronorm", erklärt Nils Klute von der STRABAG AG Köln. Je nach Motorengröße gelten andere Bestimmungen. Die Straßenbaumaschine der TH Köln gehört mit der neuen Hybrid-Technik zu einer geringeren Leistungsklasse und stößt kaum noch Emissionen aus.

 

Weitere Neuerungen des Straßenfertigers

Neben dem Antriebskonzept hat das Projektteam auch eine neue, prototypische Steuerung entwickelt. Die neue Antriebstechnologie eröffnet vielversprechende Potenziale im Hinblick auf die Prozessautomation. "Die Einführung einer voll elektronischen Steuerung der Fertiger ermöglicht mehr Komfort für die Bediener und eine bessere Energieeffizienz und ist damit absolut sinnvoll", erklärt Marc Kappel. Er ist Diplom-Ingenieur bei Volvo Construction Equipment und bewertet den Hybrid-Straßenferiger der TH Köln als einen "wichtigen Beitrag zur Beurteilung, wie weit elektrische Antriebe heute schon effizienter als hydraulische Antriebe sein können."

Die Drehzahl und das Drehmoment der einzelnen Antriebe sind über die Frequenzumrichter exakt einstellbar. Zudem gibt es eine intelligente Spurkreisregelung sowie eine neue Fahr- und Schlupfregelung. Auf diese Weise kann der Fahrer des Straßenfertigers die Grenzen der Zugkraftübertragung früh erkennen und verhindern, dass die Räder durchdrehen.

Sowohl für das Antriebs- als auch für das Steuerungskonzept wurden adaptierte industrielle Serienkomponenten verwendet. "Wir haben keine speziell gefertigten Komponenten entwickelt, sondern den Demonstrator aus den Elementen aufgebaut, die aktuell am Markt zur Verfügung stehen. Mit diesem Konzept kommen wir zu vergleichbaren Preisen wie beim diesel-hydraulischen Antriebsstrang", sagt Ulrich.

 

Warum ist der Fertiger also nicht längst im Einsatz?

Hybridantriebe haben häufig höhere Anschaffungskosten als ein gleichwertiges, mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor, betriebenes Fahrzeug. Weiterhin muss auch mit einem höheren Platzbedarf der Elektrokomponenten gerechnet werden. Aufgrund der beiden Antriebe ist ein Hybridfahrzeug auch deutlich schwerer. Marc Kappel weist außerdem darauf hin, dass „energieeffiziente Maschinen auch nur in den Märkten einen Vorteil haben werden, in denen Energie teuer ist. Fertiger werden jedoch auch in Märkte exportiert, in dem Diesel einfach kein wichtiger Kostenfaktor ist.“ Hier wird es schwierig, mehr Geld für effizientere Hydraulik zu erhalten, wenn die Anschaffungskosten der maßgebende Faktor sind. Einen weiteren Punkt spricht auch der Leiter des KLB, Alfred Ulrich, an: „Die Vergangenheit zeigt, wie lange es dauert, innovative Technologien auf Märkten einzuführen. Bei der Hydraulik hat es zehn Jahre gedauert, bis sie es in die Praxis geschafft hat. Häufig fehlt es den Betrieben an ausgebildeten Fachkräften, die mit Innovationen entsprechend umgehen können.“

Durch den komplexeren Aufbau ist ein Hybrid-Straßenfertiger im Prototypstatus anfälliger für Fehler. Zukünftig werden Fachkräfte gebraucht mit Qualifikationen in zwei Bereichen: der Mechatronik und der Elektrotechnik. Laut Ulrich fehlt es zurzeit noch an genügend Bereitschaft der Firmen, ihr Personal dahingehend zu schulen.

 

Die nächsten Schritte an der TH Köln

Innovationen bei mobilen Arbeitsmaschinen entwickeln sich stetig. Und auch der Straßenfertiger der TH Köln ist noch nicht in seinem endgültig ausgereiften Stadium. Das Forschungsprojekt mit dem offiziellen Titel "Alternativ angetriebener, energieeffizienter Diesel-Elektrischer Hybrid-Straßenfertiger (DEHS)" wurde über dreieinhalb Jahre durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit über 400 000 Euro gefördert. Doch die Mitarbeiter vom Kölner Labor für Baumaschinen sehen noch weiteren Handlungsbedarf.

In Zukunft soll die komplette Linearhydraulik durch mechanische Antriebe ersetzt und gegebenenfalls eine Highspeed Hydraulik Pumpe eingebaut werden. Eine Anforderung an Straßenfertiger ist, dass diese möglichst kompakt sind und einen engen Wenderadius aufweisen, um wenig Platz auf einem Tieflader zu benötigen. Für die Vielzahl der bewegten Teile an einem Straßenfertiger bietet sich Hydraulik daher generell an, weil diese in der Regel viel kleiner gebaut ist als vergleichbare elektrische Komponenten. "Elektrische Linearantriebe selbst sind noch zu teuer", sagt Ulrich. Marc Kappel gibt in dem Zusammenhang außerdem noch zu bedenken: "In der heutigen Bauweise ist für elektrische Linearantriebe nicht genügend Bauraum da. Der Fertiger müsste anders aufgebaut und vermutlich länger werden."

Weiterführende Links

Kölner Labor für Baumaschinen (KLB)

Video: Der Straßenfertiger-Demonstator der TH Köln in Aktion

Wikipedia-Eintrag Asphaltfertiger

Artikel: Straßenfertiger mit diesel-elektrischem Antrieb. Antwort auf Umweltherausforderungen.

Grit Petersohn und Christian Alo, Technikjournalismus/PR, 3. Semester

Kommentieren und bewerten 

Mit folgendem Formular können Sie den Artikel kommentieren und bewerten. Mit einem * gekennzeichnete Felder müssen ausgefüllt werden.

Ihr Name*
Ihre E-Mail-Adresse*
Bewertung des Artikels*
(1 Stern = schlecht / 6 Sterne = hervorragend)
Sicherheitsabfrage*: Bitte addieren Sie 9 und 2
Ihr Kommentar*

Wesentliche Bestandteile eines Straßenfertigers

Ein auffälliger Teil der Maschine ist der Materialbehälter am vorderen Teil des Wagens. Seine Seitenwände sind hydraulisch einklappbar, dort wird der Straßenbelag hineingefüllt und weitertransportiert.

Der Materialtransport und die Verteilung in der Maschine sind automatisiert. Zunächst befördern Kratzerbänder das Material unter der Maschine hindurch.

Zwei rotierende Verteilerschnecken im Innern sorgen anschließend dafür, dass sich das Material gleichmäßig verteilt.

Durch die Einbaubohle lassen sich kleine Unebenheiten im Unterbau des Asphalts beim Überfahren ohne Eingriffe in die Steuerung verringern oder ausgleichen. So entsteht eine geschlossene, ebene Struktur.

Um präzise an einer Straßentrasse arbeiten zu können und die richtige Einbauhöhe und Querneigung einzuhalten, gibt es die Nivellierautomatik. Diese modernen 3D-Steuerungssysteme arbeiten mit Sensoren und haben häufig sogar einen Ultraschallabtaster für Unebenheiten im Boden.

Eine Heizung sorgt schließlich dafür, dass das bitumengebundene Material an den Verdichtungsaggregaten der Einbaubohle nicht kleben bleibt. Somit werden schwere Einbaufehler vermieden und es wird eine gleichmäßige Oberflächenstruktur des Straßenbelags erzielt