Effiziente Hydraulik für mobile Arbeitsmaschinen

C0₂-Ausstoß reduzieren durch effizientere Komponenten und Systeme

Interview mit Dierk Peitsmeyer

Dierk Peitsmeyer, Product Portfolio Manager von Bucher Hydraulics spricht im Interview mit «Fluid Power World» darüber, welche Antriebssysteme künftig sinnvoll einsetzbar sein werden, um den Forderungen nach hoher Leistungsdichte und effizientem, wirtschaftlichem Betrieb bei minimierten Schadstoffemissionen zu genügen.

Das bedeutet, dass künftig nicht nur Pkws, sondern auch mobile Arbeitsmaschinen, beispielsweise zur Erdbewegung oder für den Einsatz im Forst und in der Landwirtschaft, hybrid oder sogar vollelektrisch angetrieben werden. Was fordern Betreiber im Wesentlichen von diesen «alternativ» angetriebenen Arbeitsmaschinen?

Dierk Peitsmeyer: Ein wichtiges Kriterium ist sicher eine ausreichend lange Betriebszeit ohne Nachladen der Batterien, was ja bekanntlich bislang viel Zeit beansprucht. Zudem haben die Betreiber natürlich den wirtschaftlichen Betrieb im Blick. Sie erwarten also niedrige Kosten und wenig Aufwand beim Energieverbrauch, bei Wartung, Service und Instandhaltung. Zudem müssen auch alternativ angetriebene Arbeitsmaschinen besonders zuverlässig und über lange Zeiträume wartungsfrei funktionieren. Nur dann kann der Betreiber wirtschaftlich arbeiten. Ein weiteres Merkmal, das mit dem Umweltschutz zusammenhängt, betrifft sicher die Geräuschemission. Auch Arbeitsmaschinen sollten möglichst leise sein. Für den täglichen Betrieb und die Akzeptanz beim Personal wird sicher entscheidend sein, dass die Maschinen – wie von bisherigen Maschinen gewohnt oder besser – kurze Reaktionszeiten beim Ansteuern der Funktionen bieten und dabei hohe Leistungen kurzfristig ohne Verzögerungszeit direkt abrufbar sind.

Welche Möglichkeiten bieten sich an, diese Forderungen zu erfüllen?

Dierk Peitsmeyer: Eine ausreichende Betriebszeit kann mit einer groß dimensionierten Energiequelle oder mit einem System mit niedriger Verlustleistung erreicht werden. Eine große Batterie oder eine Brennstoffzelle ist allerdings relativ teuer. Effiziente Komponenten und ein effizientes System können sich je nach Lastkollektiv als sinnvollerer Ansatz erweisen, zumal auch die Energiekosten niedriger sind. Elektrische Antriebe haben bereits eine hohe Effizienz über ein breites Betriebsfeld. Die heute in mobilen Arbeitsmaschinen mit Dieselmotor verwendete Hydraulik hat diese hohe Effizienz nicht aufzuweisen.

LS (Loadsensing)-Systeme mit Verstellpumpen erfüllen die Kriterien für elektrifizierte Maschinen nicht optimal. Axialkolben-Verstellpumpen haben zu hohe Lärmemissionen, die wegen des nicht mehr vorhandenen Dieselmotor-Geräuschs besonders hervortreten. Ihr Wirkungsgrad ist nicht optimal im gesamten Betriebsfeld. Die LS-Regeldifferenz erzeugt unnötige Verluste in den meisten Betriebspunkten. Um das LS-System schwingungsfrei zu betreiben, sind zum Teil starke Dämpfungen erforderlich, diese verlängern das Ansprechverhalten erheblich.

Folglich ist es nicht zielführend, den Dieselmotor gegen einen Elektromotor auszuwechseln und das vorhandene Hydrauliksystem unverändert zu belassen. Jeden Hydraulikzylinder gegen einen elektromechanischen Linearantrieb zu ersetzen, ist auch kein Weg. Die mechanischen Getriebe sind nicht für die Belastungen einer Baumaschine geeignet. Des Weiteren erfordert jeder elektromechanische Linearantrieb einen E-Motor mit entsprechend hoher Leistung. Die installierte Leistung wird dadurch relativ hoch, auch wenn diese niemals gleichzeitig gefahren wird. Ein optimiertes Hydrauliksystem ist ein Kompromiss zwischen Effizienz und Kosten. Für leistungsstarke Funktionen mit hohem Energierückgewinnungspotential bieten sich Verdrängersteuerungen im geschlossenen Kreis an. Diese weisen die geringsten Verluste auf. Jede Linearfunktion erfordert jedoch einen E-Motor und eine Pumpe, wie auch die elektromechanischen Linearantriebe. Dies ist nicht für alle Funktionen sinnvoll umsetzbar.

Die aufgezeigten technischen Varianten erachten Sie demnach als ungenügend oder als einen Kompromiss, bei dem man zu viele Einschränkungen hinnehmen muss. Welche Alternativen gibt es, um die sich teils widersprechenden Forderungen deutlich besser zu erfüllen?

Dierk Peitsmeyer: Für Arbeitsfunktionen sind Ventilsteuerungen mit Flow on Demand eine wirtschaftliche Alternative. Darüber hinaus verringern Hydrauliksteuerblöcke mit getrennten Steuerkanten, wie beim LVS12 von Bucher Hydraulics, die Verlustleistung und ermöglichen dynamischere Arbeitsfunktionen. Dadurch wird die Effektivität der Maschine weiter erhöht. Außerdem können im elektrischen System mit Gleichstrom-Zwischenkreis auch verschiedene elektrisch-hydraulische Antriebs-Varianten kombiniert werden.

Die Pumpe wird als Konstantpumpe mit variabler Drehzahl betrieben. Die E-Motordrehzahl wird mittels der Ventilansteuerkennlinien von der Bucher Hydraulics FoD-Software berechnet. Die im LS-System notwendige Regeldruckdifferenz entfällt. Im FoD-System ergibt sich immer der niedrigste mögliche Druck an der Pumpe. Dieser ist abhängig von der aktuellen Last und den Druckverlusten. Durch eine optimierte Systemauslegung können die Druckverluste minimiert werden. 

Im FoD-System werden die Ventilöffnung und die Pumpendrehzahl parallel gesteuert. Dadurch ist das Ansprechverhalten sehr schnell und direkt. Das ist vergleichbar mit dem Verhalten von elektrischen Fahrantrieben. Die Steuerung arbeitet stabil ohne Schwingungen. Damit kann die Maschine vom Bediener effektiver gefahren werden. Das FoD hat auch Vorteile bei geregelten Funktionen, zum Beispiel für Assistenzsteuerungen. Unsere FoD-Software bietet weitere Optionen, die mit einem traditionellen LS-System nicht gegeben sind. 

Das erfordert aber sicher einen deutlich größeren Aufwand für Steuerungstechnik sowie Hard- und Softwareentwicklung beim Maschinenhersteller. Wie weit können Hydraulikhersteller hier wirtschaftliche Lösungen bieten?

Dierk Peitsmeyer: Mit der FoD-Software von Bucher Hydraulics hat der Anwender keinen Aufwand, um die optimale E-Motordrehzahl zu generieren. Im drehzahlvariablen Betrieb hat allerdings die Pumpe eine besondere Bedeutung, um die spezifischen Forderungen einer Mobilhydraulik zu erfüllen. Sie ist so zusagen das Herz des Systems. Sie soll einen hohen Wirkungsgrad von 92 bis 94 Prozent haben, vergleichbar einem hochwertigen E-Motor. Damit kann wertvolle Batteriekapazität eingespart werden. Es ist ein wesentlicher Unterschied, ob 5 kW oder nur 2,5 kW Verlustleistung durch die Pumpe erzeugt wird. Durch die Wirkungsgradkette mit E-Motor und Umrichter wird der Effekt noch weiter verstärkt.

Als optimale Lösung bieten wir von Bucher Hydraulics unsere AX-Pumpen. Sie haben ein niedriges und angenehmes Geräuschniveau auch bei hoher Leistung und entsprechen somit in dieser Hinsicht den Forderungen von Endanwendern. Die AX-Pumpen können mit hohem Druck angefahren und mit sehr niedriger Drehzahl betrieben werden, ohne dass es zu Verschleiß kommt. Dank einer geringen Leckage und der hohen Kolbenanzahl gewährleisten die Pumpen bereits bei niedrigen Drehzahlen eine gleichmäßige Zylinderbewegung. Bei Positionierarbeiten oder langen Auslegern ist dies ein Vorteil. Das Konstruktionsprinzip mit konsequenter hydrostatischer Entlastung der Bauteile führt zu höchster Zuverlässigkeit.

Die Bucher Hydraulics Systeme mit AX-Pumpen und „Flow on Demand“ – Software erfüllen somit die Forderungen an elektrifizierte Maschinen in optimaler Weise und leisten somit einen entscheidenden Beitrag, zukünftig auch elektrifizierte Arbeitsmaschinen wirtschaftlich und produktiv einsetzen zu können.

Herr Peitsmeyer, vielen Dank für Ihre ausführlichen Informationen zu effizienter, wirtschaftlicher und leistungsfähiger Mobilhydraulik für elektrifizierte Arbeitsmaschinen.

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