Nutzung von elektrischen Antrieben in Agrarmaschinen

Viele selbstfahrende Erntemaschinen haben einen extrem hohen Leistungsbedarf, nicht nur für den Fahrantrieb, sondern auch in der Behandlung von Erntegut. Obwohl das bewährte Antriebssystem seit vielen Jahren die Hydraulik darstellt, werden alternative Antrieb aufgrund der häufig sehr schlechten Wirkungsgrade untersucht. Der allgemeine Trend zur Elektrifizierung scheint gerade bei den hohen Leistungen ein großes Einsparpotential zu erschließen. Den Beweis für die Richtigkeit dieser Behauptung haben nun die Firmen Sensor-Technik Wiedemann (STW) und ROPA, zusammen mit der TU Dresden im Rahmen eines Förderprojekts des bayerischen Staates erbracht.

Ausgangspunkt waren die bewährten hydraulischen und hydrostatischen Antriebssysteme, die durch Jahrzehnte lange Entwicklung über ein umfangreiches Baukastensystem verfügen. In Jahrzehnte langer Entwicklung wurde die Technologie an die Fahrzeuge angepasst und die Konzepte vom Diesel über Pumpen bis zu den Antrieben aufeinander abgestimmt. Trotzdem erreichen diese Antriebe im Ganzen gesehen meist nur mittelmäßige Wirkungsgrade. Elektroantriebe trumpfen dagegen mit hohen Wirkungsgraden in fast allen Betriebszuständen auf und sind extrem gut regelbar. Allein dadurch haben sie entscheidende Vorteile. Ziel der Förderung war es, sowohl theoretisch als auch praktisch den Nachweis für eine Steigerung der Effizienz durch den Einsatz von Elektroantrieben zu erbringen und die gewonnenen Erfahrungen und Methoden auch für die Beurteilung anderer Maschinen verfügbar zu machen. Ein weiteres Ziel war es, eine Systemumgebung zu entwickeln, die es erlaubt, die Antriebe in den häufig rauen Umgebungsbedingungen sicher zu betreiben und das volle Potential von Regelung, Aufbau, Leistungstransfer, Speicherung uvm. für den Maschinenhersteller zu erschließen.

Sensor-Technik Wiedemann hat mit der Entwicklung solcher Antriebe bereits 2001 angefangen und viel Erfahrung in extremen Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel beim Einsatz im Pistenbully der Firma Kässbohrer sammeln können. Damit waren beste Voraussetzungen geschaffen zusammen mit den Recherchen der TU Dresden eine Systemumgebung zu definieren, die es erlaubt, mobile Arbeitsmaschinen aller Branchen, wie Baumaschinen, Personen- und Lastbeförderung und Sonderanwendungen wie Müllfahrzeuge, Flugzeugschlepper und viele mehr, mit dieser Technologie zu betreiben. Jeder der Entwicklungsschritte wurde mit der Firma ROPA auf die Anforderungen im Rübenvollernter überprüft. Für die Umrüstung des hydrostatischen Fahrantriebes auf eine dieselelektrische Variante mit vergleichbaren Leistungsdaten, nicht nur im normalen Ernteeinsatz, sondern auch bei Spitzenlast, wurde zunächst der Ist-Zustand erfasst. Die Messdaten aus einem realen Feldeinsatz wurden ausgewertet und über Klassenhäufigkeits- und Verweildauerverteilungen Lastkollektive formuliert.

Parallel zur Umrüstung des Fahrzeugs auf ein elektrisches Antriebssystem erfolgte die Simulation des konventionellen hydraulischen und des alternativen elektrischen Fahrantriebes. In den Modellen wurde der komplette Antriebsstrang vom Dieselmotor über die Generatoren und die Elektromotoren (elektrischer Antriebsstrang) beziehungsweise über die Pumpe und Hydromotoren (hydraulischer Antriebsstrang), über den mechanischen Zentralantrieb bis hin zum Rad-Boden-Kontakt abgebildet. Die Simulation kann vergleichende Aussagen über die Leistungsfähigkeit, den Wirkungsgrad und den voraussichtlichen Kraftstoffverbrauch zwischen hydraulischem und elektrischem Fahrantrieb liefern. Die Wirkungsgradsteigerung des Fahrantriebes liegt entsprechend der Simulationsergebnisse im Bereich von 20 bis 30 Prozentpunkten. Der Kraftstoffverbrauch konnte in der Simulation um bis zu 30 % gesenkt werden. Erste Feldversuche unter Realbedingungen bestätigten die Ergebnisse. Unter normalen Erntebedingungen mit beiden Varianten des Rübenvollernters  im direkten Vergleich verhielt sich der elektrisch angetriebene Euro Tiger überraschend agil und zeigte auch bei Volllast keine Schwächen.

Diesen vielversprechenden Ansatz galt es nun mit geeigneten Messmethoden zu bestätigen. Hierzu entwickelte die TU Dresden Verfahren, um unter vergleichbaren Bedingungen belastbare Ergebnisse zu erhalten. Die Notwendigkeit sich von nicht messbaren Belastungen unabhängig zu machen tritt bei fast allen Vergleichsfahrten auf, da sich in der hydraulischen Variante die exakt abgegebene Leistung nicht oder nur mit sehr viel Aufwand messen lässt. Im konkreten Fall wird das Rodeaggregat durch die Erde geschoben, um die Rüben herauszuschaufeln. Schon bei geringen Schwankungen der Eintauchtiefe kann der Leistungsbedarf der Fahrantriebe um 10-20% schwanken. Das Messverfahren verzichtete darauf, das Rodeaggregat einzusetzen und simulierte den Erntebetrieb durch ein Bremsfahrzeug, das die Belastung mittels Zugkraftmessung exakt bestimmen kann. Die Ergebnisse bestätigen die Simulationen eindrucksvoll. Bei einer Rodegeschwindigkeit von 6 km/h betrug die Effizienzsteigerung in der Simulation 24,8% und 24,1% in der Realität. Die Messungen ergaben weiterhin, dass in allen Betriebszuständen der elektrische Antrieb überlegen ist und bei hohen Drehzahlen der Abstand weiter ansteigt. Da der hydrostatische Antrieb deutlich früher aufgibt, kann auch die Auslegung von Motor und Getriebe überarbeitet werden. Mit einer Getriebeanpassung könnte der Elektroantrieb um circa ein Viertel verkleinert werden, um vergleichbare Zugkräfte zu zeigen.

Die Messungen der Dieseleinsparungen lagen lediglich bei circa 15%. Dieses Ergebnis war keineswegs überraschend, obwohl die Erwartungen  bei 20% lagen. Ursache für die geringe Dieseleinsparung war der erhöhte Aufwand für die zusätzliche Kühlung des elektrischen Systems und die Unterschiede, die in der Effizienz der beiden Dieselmotoren begründet liegt. Hinzu kommt, dass die Messung des Verbrauchs stark fehlerbehaftet war, da nur kurze Messzyklen mit sehr geringen Verbräuchen möglich waren. Die Verluste des Kühlsystems werden bei einer konsequenten Umsetzung auf elektrische Antriebe durch den Wegfall des hydraulischen Systems wettgemacht. Durch den höheren Wirkungsgrad des elektrischen Systems wird insgesamt wesentlich weniger Kühlleistung erforderlich, was dann zu weiteren Einsparungen führt. In der aktuellen Ausbaustufe wurden viele Kompromisse im mechanischen Aufbau eingegangen. In einer Serienmaschine würden dann noch weitere Verbesserungen einfließen, die in der Konsequenz dann Dieseleinsparungen von bis zu 30% möglich machen.

Fazit:

Die aufwändigen Untersuchungen der TU Dresden mit wissenschaftlicher Präzision erwiesen eindeutig, dass der Einsatz von Elektronantrieben in Erntemaschinen trotz der begrenzten Einsatztage im Jahr sinnvoll ist. Obwohl das volle Potential an Einsparungen bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist und die elektrischen Antriebe in ihrem Entwicklungsstadium preislich noch lange nicht ausgereizt sind, ist eine positive Kosten/Nutzenbilanz bereits nach wenigen Jahren erreicht. Im Rahmen der Förderung wurde darüber hinaus aufgezeigt, dass die elektrische Antriebstechnik durch die hervorragenden Regeleigenschaften noch weitere Potentiale erschließen kann, wenn eine Anpassung der Maschinen und Geräte auf diese Technologie erfolgt.