Wo schwere und schwerste Lasten bewegt werden, ist seit den Anfängen der Mobilität der Dieselmotor das Maß der Dinge. Haben alternative Antriebskonzepte da eine Chance?

Diesel-hydraulische Antriebskonzepte sind bei Baumaschinen das Maß der Dinge – vor allem aus betriebswirtschaftlichen Gründen. Sie zeichnen sich durch hohe Leistungsdichte, geringes Gewicht und günstige Kosten aus. „Für Unternehmer kommt es bei der Entscheidung für die Investition in eine Baumaschine im Wesentlichen auf zwei Leistungsparameter an“, erklärt Klaus Graner, Managing Director und Head of Drive System Technology der Liebherr-Components Biberach GmbH. „Wie viele Tonnen kann das Gerät pro Stunde bewegen und wie hoch sind die Kosten pro Tonne.“ Daraus lässt sich errechnen, wann der Return of Investment (ROI) erreicht wird und die Maschine anfängt, Geld zu verdienen. Doch was bedeutet das für den elektrischen Antriebsstrang?

Bei kleineren Maschinen könnten dieselelektrische Antriebe in Zukunft interessant werden, wenn es irgendwann einmal gesetzliche Vorgaben hinsichtlich der CO2-Emissionen einzelner Maschinen oder ganzer Flotten und Fuhrparks gibt, glaubt Klaus Graner, Managing Director und Head of Drive System Technology der Liebherr-Components Biberach. (Bild: Liebherr)

Ein elektrischer Antriebsstrang ist zwar mit einem Wirkungsgrad von um die 90 % gegenüber einer hydraulischen Lösung mit 70 % besser aufgestellt und bringt erhebliche Einsparungen beim Energieverbrauch, kostet aber in der Anschaffung deutlich mehr. Es braucht viele Betriebsstunden, bis sich diese Mehrkosten zum Beispiel einer dieselelektrischen Lösung im Vergleich zu einer dieselhydraulischen durch den verminderten Kraftstoff­einsatz amortisiert haben. „Das dauert bei Baumaschinen mit höchstens 2000, oft sogar nur etwa 1000 Betriebsstunden pro Jahr natürlich deutlich länger als etwa bei Mining-Fahrzeugen mit 5000 und mehr Betriebsstunden“, erläutert Graner.

Daher rechnet Graner auch damit, dass der Diesel noch auf lange Zeit bei mobilen Baumaschinen das Maß der Dinge bleibt: „Der Kraftstoff bringt eine extrem hohe Energiedichte mit, so dass über einen vertretbar großen Tank ein fortlaufender mobiler Arbeitseinsatz von bis zu 24 Stunden möglich ist“. Zudem seien dank moderner Abgasbehandlung nach den immer strengeren Euro-Normen die Schadstoffemissionen weiter zurückgegangen. Ob in Zukunft Wasserstoff oder synthetische Kraftstoffe an die Stelle des Diesels treten und die Verbrennertechnologie auf ein neues Level im Sinne der CO2-Neutralität heben können, werde sich zeigen.

Rein elektrische Antriebe werden sich dagegen nur schwer behaupten können. Noch überwiegen die Nachteile: das hohe Gewicht, das große Volumen, die begrenzte energetische Kapazität und die hohen Kosten von Batterien.

Dieselelektrische Antriebe dagegen können ihre Vorteile sehr gut bei hohen Leistungen und sehr langen Laufzeiten ausspielen. Elektrische Kraftübertragung hat gegenüber mechanisch-hydraulischen Lösungen mit 90 % einen um 20 % höheren Wirkungsgrad. Dies wirkt sich auf den Kraftstoffverbrauch und damit auch auf den CO2-Ausstoß aus. „Nach unserer Analyse macht der Einsatz dieselelektrischer Antriebe unter den heute gegebenen Voraussetzungen wirtschaftlich erst Sinn ab ca. 5000 Betriebsstunden pro Jahr, wie sie vor allem im Mining-Bereich anfallen“, rechnet Klaus Graner vor. Bei kleineren Maschinen könnten dieselelektrische Antriebe allerdings interessant werden, wenn es irgendwann einmal, ähnlich wie in der Automobilindustrie, gesetzliche Vorgaben und Restriktionen hinsichtlich der CO2-Emissionen einzelner Maschinen oder ganzer Flotten und Fuhrparks gibt.

Als die Dampfwalze zum Roboter wurde

Ob zumindest die Local-Zero-Emission auf Baustellen im innerstädtischen Bereich kommt, wird der Gesetzgeber entscheiden. Der Einsatz von Batterien als Energiespeicher auf Baustellen oder die Versorgung der Maschinen „aus der Steckdose“, hängt ganz vom Einsatzprofil ab. „Bei härteren Einsätzen von längerer Dauer stoßen wir mit Batteriekonzepten aber schnell an physikalische Grenzen“, stellt Graner klar.

Das Beispiel eines rein elektrisch betriebenen 50-kW-Radlader, der morgens vier Stunden ohne Nachladen auf einer innerstädtischen Baustelle arbeiten soll, dann über die Mittagspause nachgeladen wird, um nachmittags nochmal vier Stunden arbeiten zu können, macht das deutlich. Der durchschnittliche Leistungsbedarf an der Welle des Elektromotors in einem solchen, meist leichteren Einsatz beträgt etwa 12 kW. In vier Stunden sind dies 50 kWh Energie. Eine Batterie würde bei diesem nutzbaren Energieinhalt etwa 500 kg wiegen, ein Volumen von 250 l haben und ca. 25.000 bis 30.000 € kosten. Bei deutlich härteren und längeren Einsätzen als dem gerade beschriebenen, wie zum Beispiel auf großen Erdbewegungs-Baustellen oder im Mining-Bereich, erscheint der Einsatz von Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff oder synthetischen Kraftstoffen, welche etwas weiter in der Zukunft beide idealerweise klimaneutral erzeugt werden könnten, realistischer und zielführender.

Technologisch betrachtet ist der elektrische Antriebsstrang heute schon relativ weit, findet Klaus Graner. Jetzt komme es noch darauf an, durch höher drehende Elektromaschinen die Kompaktheit weiter zu verbessern, um diese Antriebe in Baumaschinen sinnvoll einbauen zu können. „Wir rechnen dabei bis zur Serienreife mit einem Entwicklungszeitraum von etwa drei Jahren“, schätzt der Managing Director. Und betont: „Diese Lösung für Baumaschinen mit Batterie oder am Netz hilft dem Klimawandel aber nur, falls der Strom aus regenerativen Energien kommt.“

Liebherr befasst sich seit den Anfängen des Unternehmens mit der Entwicklung von Antriebskonzepten. Aus Unzufriedenheit mit dem Marktangebot war Gründer Dr. E. h. Hans Liebherr schon mit der Erfindung des Turmdrehkrans 1949 zu dem Schluss gekommen, gewisse Teile der Antriebstechnik am besten selbst herzustellen. Seit den 50er Jahren hat Liebherr deswegen in Biberach auch Elektromaschinen und Schaltschränke für seine Turmdrehkrane entwickelt und gebaut. Die Erfahrung, vor allem mit elektrischen Antriebskonzepten, ist daher historische gewachsen. Das kommt dem Unternehmen bei der Entwicklung neuer Antriebskonzepte zugute, wie zum Beispiel dem dieselelektrischen Antriebssystem für Mining-Trucks, die Liebherr seit etwa zehn Jahren komplett mit diesem Antriebsstrang liefert.

Für den mobilen Einsatz von Baumaschinen hält Klaus Graner es für denkbar, dass sie als Verbrenner zum Einsatzort fahren und dort dann ihre Arbeit verrichten. Sie könnten gut auch über „die Steckdose“ mit Strom versorgt werden, ein Raupenbagger etwa, der mit einem nur geringen Einsatzradius ein Loch gräbt. „Tunnelbagger arbeiten teilweise schon so, um die Tunnelröhre nicht mit Abgasen zu belasten“, berichtet Graner. Denkbar wäre auch ein Kabelanschluss ans Stromnetz auf der Baustelle, beispielsweise auch für einen Fahrzeugkran, eine Betonpumpe oder einen Betonmischer. Bei geringen Leistungsanforderungen käme auch eine entsprechend ausgelegte Batterie in Frage, womit die Mobilität der rein elektrischen Maschine auf der Baustelle im Vergleich zur konventionellen voll erhalten bliebe.

Im elektrischen Antriebsstrang für stufenlose Kraftübertragung steckt viel Zukunft für taffe mobile Heavy-Duty-Einsätze – aber auch für den Dieselmotor nach neuesten Euro-Normen als Primär-Energiequelle im Fahrzeug und weiter in der Zukunft für Verbrennungsmotoren, die mit Wasserstoff oder synthetischen Kraftstoffen betrieben werden. Wenn es dann auch noch gelingt, diese alternativen Kraftstoffe mit regenerativen Energien und somit CO2-neutral zu erzeugen, wäre viel im Sinne der Nachhaltigkeit erreicht. (ud)

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