Neue Mobilität im Off-Highway-Bereich

Die Motorenhersteller nehmen die Elektrifizierung ins Visier und setzen auf alternative Antriebe und Kraftstoffe

Nutzfahrzeuge, wie sie heute in der Bauindustrie, im Bergbau oder in der Landwirtschaft unter schwierigsten Bedingungen zum Einsatz kommen, müssen ein Höchstmaß an Effizienz und Leistung erbringen. Die führenden Hersteller für Industriemotoren reagieren auf diese Anforderungen mit einem Baukasten, der Hightech-Dieselmotoren ebenso miteinschließt, wie elektrische und hybride Antriebskonzepte.

Elektrifizierung sorgt für maximale Flexibilität

Bestimmt eMobility die Off-Highway-Anwendung, übernehmen dagegen Elektromotoren den Antrieb und die Ausführung der Hauptfunktion der Nutzfahrzeuge – von DC/DC-Spannungswandlern, Power Distribution Units, Getrieben für Hybrid- und Elektrofahrzeuge bis hin zu Hochvoltsicherungen:

Die Aussteller der SYSTEMS & COMPONENTS demonstrieren, dass sich die neuen Technologien zunehmend einfacher in bestehende Maschinendesigns integrieren lassen. Die klassische Hydraulik wird dafür durch eine Architektur mit elektromechanischen Linearantrieben ersetzt, was die Kraftübertragung optimiert. Gleichzeitig will die jüngste Generation der Elektroantriebe mit starker Leistung überzeugen. Ein wesentlicher Bestandteil sind dabei Batteriewechselkonzepte, bei denen ein Energiespeicher transportiert und nach Bedarf an anderer Stelle genutzt werden kann.

Ob ein vollelektrisches Antriebskonzept wirtschaftlich sinnvoll ist und ausreichend hohen Kundennutzen bietet, hängt stark von der jeweiligen Anwendung und dem daraus resultierenden Lastprofil ab. Insbesondere bei kleinen und mittelgroßen Maschinen wird ein großes Potenzial für hybride und vollelektrische Antriebe gesehen. Optimale Einsatzmöglichkeiten bieten sich also zunächst in den unteren Leistungsklassen, etwa bei geländegängigen Radladern und Baggern. Die Antriebe agieren dabei gewohnt kraftvoll, führen kombinierte Bewegungen aber deutlich schneller aus. Die aktuell im Antriebsstrang verbauten Antriebe erreichen eine elektrische Dauerleistung von rund 60 Kilowatt. Kurzfristig, für Beschleunigungs- oder Boostphasen, kann die Leistung auch auf über 100 Kilowatt steigen.

Zu den jüngsten Innovationen zählen speziell für den Einsatz in Land- und Baumaschinen entwickelte Radköpfe mit Drei-Phasen-Asynchronmotor, die durch eine geregelte Traktionsunterstützung das Arbeiten unter erschwerten Bedingungen erleichtern. Beispiele dafür sind elektrisch angetriebene Achssysteme für Anhänger oder elektrisch angetriebene Stützräder für Anbaugeräte. Die Aufteilung der Antriebsleistung auf zusätzliche Räder bietet viele Vorteile. Baggerlader kommen so deutlich besser auf schwierigem Untergrund zurecht. Zudem lassen sich leistungsstärkere Anbaugeräte bewegen oder aber die Größe der Zugmaschinen verringern – und damit Kraftstoffverbrauch und Bodenverdichtung reduzieren.

Hybride Antriebe aus dem Systembaukasten

Als Alternative zum reinen Dieselmotor für mittlere Anwendungen bis 200 Kilowatt rückt die Hybridisierung des Antriebsstranges immer stärker in den Vordergrund. Die Lösungen bestehen aus einem Verbrennungsmotor, einer E-Maschine mit darauf abgestimmter Leistungselektronik und einem Batterie-Pack. Beim Akku setzt die Mehrheit der Anbieter auf die Lithium-Ionen-Technik, die je nach verbauter Größe ausreichend Kapazität für acht Stunden Schwerstarbeit verspricht. Dank Getriebe mit integrierter Trennkupplung lässt sich der Dieselmotor in parallelen Hybridsystemen abkoppeln und die Fahrzeuge können rein elektrisch arbeiten. Zudem erlaubt die Technologie ein Downsizing des Verbrennungsmotors. Das Kraftstoffsparpotenzial ist enorm: Im Idealfall lässt sich der Verbrauch um bis zu 40 Prozent senken.

Bei seriellen Hybridsystemen treibt der Dieselmotor nicht die Räder selbst, sondern einen Generator an. Wechselrichter wandeln den vom Generator erzeugten Strom um und leiten ihn zu Elektromotoren an der Vorder- und Hinterachse, die die Räder antreiben. Erfahrungen aus dem Pkw-Segment können dabei genutzt werden und auf Off-Highway-Anwendungen übertragen werden, bei denen die Range-Extender-Hybridtechnologie zum Einsatz kommt. Dabei lassen sich in den Maschinen alle Vorteile des elektrischen Antriebes nutzen, während ein Dieselgenerator die nötige Reichweite und Einsatzzeit sicherstellt.

Alternative Kraftstoffe der Zukunft

Gerade bei Schwerlastanwendungen mit hohen Leistungs- und Drehmomentbedarfen ist der Verbrennungsmotor weiterhin erste Wahl und aus Bau- und Landmaschinen nicht wegzudenken. In Hannover demonstrieren die Aussteller eine umfangreiche Systemkompetenz, die neben Einspritztechnologie auch Motorsteuerung, Sensorik und Abgasnachbehandlung umfasst. Doch die Motorenhersteller erweitern ihre Produktpalette nicht nur in Sachen Hubraum, sondern auch bei der Wahl des Kraftstoffs. Viele der auf dem Messegelände gezeigten Modelle folgen einem Plattformkonzept, wodurch sich baugleiche Motoren mit unterschiedlichen Verbrennungsverfahren realisieren lassen – darunter Dieselmotoren mit Katalysator und Partikelfilter (Stage V ready) und Ottomotoren mit vollelektronischer Zündung für Benzin, Liquefied Petroleum Gas (LPG) oder Erdgas.

Nachdem in den vergangenen Jahren erhebliche Anstrengungen zur Verbrauchseinsparung und für intelligente Abgasnachbehandlung unternommen worden sind, rücken aktuell die alternativen Kraftstoffe vermehrt ins Blickfeld. Sukzessive werden die Motoren der neuesten Generation für den Einsatz paraffinischer Dieselkraftstoffe oder Biodiesel-Blends freigegeben. Perspektivisch sollen auch E-Fuels im industriellen Maßstab hinzukommen, die auf Basis von regenerativem Strom sogar einen CO2-neutralen Betrieb versprechen. Auch die Weiterentwicklung des klassischen Verbrennungsmotors zur Nutzung von alternativen Kraftstoffen wie Wasserstoff ist aktuell ein vielversprechendes Forschungsthema, das in Hannover diskutiert werden dürfte.

Die neue Mobilität klopft an

Der Ausblick auf die diesjährige SYSTEMS & COMPONENTS zeigt: Im Mix der innovativen Antriebskonzepte gibt es nicht die eine Lösung. Ziel vieler Technologieanbieter ist es, die Vorzüge des klassischen Verbrennungsmotors im Verbund mit elektrifizierten Antrieben sinnvoll zu kombinieren. Vor allem bei Heavy-Duty-Anwendungen hat der Dieselmotor, sowohl alleine als auch im Verbund mit elektrischen Antrieben, noch lange nicht ausgedient. Wie die verschiedenen Szenarien aussehen, können die Besucher in der Future Lounge, dem Fachforum der SYSTEMS & COMPONENTS in Halle 17, mit Experten in über 30 Foren diskutieren.