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Elektroantriebe: Acker unter Strom

von , am
09.04.2013

Wissenschaftler und Ingenieure verständigen sich gegenwärtig über die Möglichkeiten elektrischer Antriebe in der Landtechnik. Mehr als bisher wollen sie dabei auch über den Gartenzaun hinaus blicken und Erfahrungen und Komponenten aus anderen Bereichen nutzen.

Abschiebe-Anhänger von Fliegl mit elektrischem Achsantrieb. © Werkbild
Nach der Agritechnica 2011 rückte das Thema Elektrifizierung von Landmaschinen etwas aus dem Fokus der öffentlichen Wahrnehmung. Doch der Schein trügt. In den Konstruktionsbüros vieler Hersteller und in Forschungseinrichtungen werden mit Eifer elektrische Antriebe entwickelt. Dies zeigte sich auch auf der 70. Internationalen VDI-Tagung Landtechnik im November in Karlsruhe. So erläuterte Dr. Joachim Sobotzik von den John Deere Werken Mannheim am Beispiel des neuen 6210 RE, welche Möglichkeiten sich mit der Bereitstellung elektrischer Leistung für eine verbesserte Regelbarkeit und Flexibilität von Anbaugeräten eröffnen.
 
Ingenieure vom Getriebehersteller ZF Friedrichshafen AG und den Amazonen-Werken stellten in Karlsruhe die Ergebnisse ihrer Feldversuche mit einem Gespann aus Deutz-Fahr Agrotron TTV mit im Getriebegehäuse integriertem Generatorsystem ZF-Terra plus und der mit elektrischen Antrieben ausgestatteten Einzelkorn­sämaschine EDX eSeed vor. Über drei Wechselstromschnittstellen können so bis 50 kW bereitgestellt werden. In den Tests zeigten sich nach Aussage der Entwickler Vorteile bei der Ansteuerung durch einen erweiterten Funktionsumfang und eine Reduzierung der Leistungsaufnahme.

Mehr Effizienz - weniger CO2

Fachleute aus Agrarwirtschaft und Landtechnik sind sich darüber einig, dass elektrische Antriebe gegenüber konventionellen Konzepten viele Vorteile besitzen und zunehmend praktische Bedeutung erlangen werden. Für Elektromotoren spricht vor allem der hohe Wirkungsgrad und dass sie sich sehr präzise steuern lassen. Damit bietet sich auch die Möglichkeit, Funktionalität und Effizienz von Landmaschinen deutlich zu verbessern.
 
Zugleich ließe sich so der CO2-Ausstoß von mobilen Landmaschinen spürbar reduzieren. Beachtliche 75 Prozent der österreichischen Landmaschinenhersteller gaben bei einer Umfrage des Josephinum Research Wieselburg an, sich mit elektrischen Antrieben zu beschäftigen. Ein Drittel von ihnen planen dazu konkrete Vorhaben. Die meisten Hersteller gehen laut Befragung davon aus, dass in fünf bis zehn Jahren Traktoren standardmäßig über zwei Steckdosen als elektrische Schnittstelle mit einer Leistung von insgesamt mindestens 50 kW verfügen.

Erfahrungen anderer Bereiche nutzen

Taktor RigiTrac EWD 120 Diesel Electric mit vier elektrischen Radnabenmotoren. © Werkbild
Elektrische Antriebe haben in anderen Wirtschaftsbereichen bereits Einzug gehalten oder dominieren sogar. Dabei gemachte Erfahrungen sind durchaus auf Landmaschinen übertragbar. Beispiel: Verpackungsmaschinen. Ohne dezentral eingesetzte Elektromotoren wären die Bewegungszyklen solcher Maschinen heutzutage nicht mehr denkbar. Diese Antriebstechnik ermöglicht, viel Leistung auf wenig Raum unterzubringen und schnelle Bewegungen exakt zu regeln.
 
Alternativen wie Pneumatik sind generell rückläufig, da sie als zu teuer gelten und bei Lebensmitteln ist Hydrauliköl auch in "homöopathischen" Mengen ein Tabu. Andererseits ist der Aufwand für die Steuerung der unterschiedlichen Antriebe hoch, um zum Beispiel die einzelnen Bewegungsabläufe aufeinander abzustimmen. "Bei einer zentralen Antriebswelle ergibt sich die Synchronität ja von selbst. Dieser Vorteil wurde uns erst so richtig bewusst, als wir begannen die mechanische Lösung einer Maschine in dezentrale elektrische Antriebe aufzutrennen", beschreibt ein Ingenieur für Verpackungsmaschinen die Herausforderung.

Mögliche Kooperationen mit Nutzfahrzeugherstellern

Potenziale einer Zusammenarbeit sieht Alexander Nase vom Technologie-Dienstleister FEV Consulting auch mit dem Nutzfahrzeugbereich, zumal Hersteller von Lkw, Bussen und Pkw kaum in Konkurrenz zu Landmaschinenbauern am Markt agieren. Die Gefahr von Strafzahlungen bei Nichterreichung der Grenzwerte von 130 g CO2-Ausstoß pro Kilometer bis 2015 und 70 g bis 2025 motiviere die Fahrzeughersteller, Neuentwicklungen voranzutreiben. Die ersten Hybrid-Nutzfahrzeuge wie der Renault Hybrys, der Fuso Canter Eco Hybrid von Mitsubishi oder der Reisebus Citaro FuelCell Hybrid von Mercedes Benz würden bis zu 30 Prozent Kraftstoff einsparen. Zusatznutzen sei weniger Lärm, sodass diese Fahrzeuge auch nachts in Wohngebieten fahren dürfen. Nase erwartet, dass bis 2030 etwa 30 Prozent der Nutzfahrzeuge in Europa mit einem Hybrid-Antrieb ausgestattet sind.


Neue leistungsstarke Motoren


Interessant für Entwickler im Bereich Landtechnik dürften sogenannte combined storages sein.


Dies ist eine Kombination von Supercaps (Hochleistungskondensatoren für die kurzfristige Energiespeicherung) und Batterien. Dass sich E-Motoren auch unter robusten Bedingungen bewähren, zeigt sich bei Baumaschinen. Elektrische Antriebe kommen hier bereits seit den 50er-Jahren zum Einsatz. Zu den aktuellen Entwicklungen gehören der dieselelektrische Bulldozer D7-E von Caterpillar, der pro Liter Diesel 25 Prozent mehr Material bewegt als Maschinen gleicher Leistungsklasse mit konventioneller Technik und der Radlader Atlas AR 60 mit Hybridantrieb. Auch bei Baumaschinen mit ihrem typisch schnellen Wechsel von Beschleunigen und Bremsen wird die Elektrifizierung zunehmend mit Supercaps ergänzt. So speichert im Komatsu HB 215 LC solch ein Spezialkondensator die Bremsenergie des auf dem Fahrgestell drehbar gelagerten Baggers für die nächste Drehbewegung.

Leichte Elektro-Antriebe

Externer Generator: Der ePower Generator von Walterscheid stellt elektrische Energie an herkömmlichen Traktoren für den mobilen Einsatz zur Verfügung. Er ermöglicht den Betrieb von elektrifizierten Landmaschinen mit einer Leistung bis zu 100 kW. © Werkbild
Beflügelt wird die Elektrifizierung der Landtechnik durch die Aussicht auf neue leistungsstarke Elektromotoren. Zu ihnen gehört der Leantec-Antrieb. Dahinter verbergen sich keine englischsprachigen Begriffe, wie man vermuten könnte, sondern die Abkürzung steht für "Leichte Elektro-Antriebe neuester Technologie". Das zugrunde liegende Transversalflussprinzip ist bereits länger bekannt. Bisher standen jedoch die dafür benötigten hochfesten, nichtmagnetischen Materialien wie Karbonfaserverbindungen nicht zur Verfügung. Auch die sehr schnelle Taktung für die Phasenumschaltung lässt sich erst mit der neuesten Generation von Leistungselektronik realisieren. Alleinstellungsmerkmale des Leantec-Antriebes sind zum einen die hohe Leistungsdichte und zum anderen die günstigen Herstellungskosten, da kaum Kupfer und keine seltenen Erden für die Magneten benötigt werden.

Elektromotoren für die Rübenernte

Stecker von Fliegl zur Stromübertragung vom Traktor/Generator zum Anhänger. © Werkbild
Zwei 150-kW-Elektromotoren mit hoher Leistungsdichte setzt auch der Rübenerntetechnik-Spezialist Ropa im Fahrantrieb eines Prototyps des Rübenroders Euro Tiger V8 ein. Der Hersteller hatte zwei Rübenroder, jeweils ausgestattet mit hydraulischem bzw. dieselelektrischem Antrieb, parallel im Einsatz. Der Test bestätigte die in der Simulation voraus berechnete Verbesserung des Wirkungsgrades von 15 bis 20 Prozent. Sechsreihige Rübenroder schaffen in einer Saison um 1.000 ha. Bei einem Verbrauch von durchschnittlich 45 l Diesel pro Hektar macht das pro Saison 45.000 Liter. Wenn man durch den besseren Wirkungsgrad der elektrischen Antriebe 15 Prozent einspart, ist schon einiges erreicht. Ab einem Dieselpreis von zwei Euro je Liter würden sich die höheren Kosten von etwa 30.000 Euro schnell auszahlen.
 
Auf die Frage, ob bei dieselelektrischer Antriebstechnik der Service komplizierter und damit teurer wird, antwortete Ropa-Entwicklungschef Michael Gruber: "Einerseits erleichtert das intelligente System durch die ständige Kontrolle und Aufzeichnung aller Parameter die Diagnose. Bei einem hydraulischen Antrieb ist die Fehlersuche schwieriger. Andererseits ist das Auswechseln der hermetisch gekapselten Hochleistungsmotoren anspruchsvoll, weil die Kühlung durch Trafoöl erfolgt, das direkt die Wicklungen des Motors umspült. In dieses Trafoöl darf nicht das kleinste Wassertröpfchen oder der winzigste Metallspan geraten, weil sonst sofort ein Kurzschluss entsteht."

John Deere auf E-Kurs

Nicht nur bei Traktoren beschäftigt sich John Deere mit elektrischen Antrieben. Jim Shoemaker, Leiter des Bereiches Fahrzeug-Elektrifizierung im Konzern berichtete im Sommer über einen Spezial-Rasenmäher für Golfplätze, bei dem die Messerwalze jetzt durch einen E-Motor im Spannungsbereich von 60 V angetrieben wird. Dies geschah bisher hy­draulisch. Bei den vibrationsbelasteten Walzen barg dies die Gefahr, dass durch Undichtigkeit Ölflecken auf dem Rasen entstehen. Für die Golfplatzbetreiber ist dies ein teures Ärgernis, denn diese Grünfläche muss ausgetauscht werden. Dass Verunreinigungen durch Öl nicht möglich sind, sei als Kundennutzen sehr gut angenommen worden.
 
Überraschende Verkaufserfolge erzielt ein neuer dieselelektrischer Radlader, den John Deere mit vier Radnabenmotoren ausstattete. Dadurch habe man sich die Entwicklung eines Getriebes für diese Leistungsklasse gespart und größere Freiheit bei der Konstruk­tion erhalten. Ergebnis sei mehr Funktionalität und ein nachweisbar höherer Wirkungsgrad von 14 Prozent. Bei der typischen Y-Bewegung eines Radladers (Reinfahren und Aufnehmen - Zurückstoßen - nach rechts Vorwärtsfahren und Abladen) reagiert Hydraulik immer etwas träge, da sich der Druck erst aufbauen muss. Mit dem elektrischen Antrieb verkürzen sich die Zykluszeiten. Shoemaker: "Zudem verweisen die Nutzer auf ein subjektiv besseres Fahrgefühl." Man darf gespannt sein, welche Neuerungen einen erfolgreichen Weg auf den Acker finden!
 
Autor: Wolfgang Rudolph, Fachjournalist, Bad Lausick

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