Bagger und Bully unter Strom

Auch Arbeitsmaschinen wie Traktor, Kran und Raupe steht nun eine Verschärfung der Emissionsgrenzwerte bevor. Elektronik könnte sie in die Zukunft bringen, ihr Dieselmotor wird mehr und mehr zum Generator.

Moderne Pkws fahren mittlerweile so sauber, dass in manchen Großstädten das Abgas weniger schädliche Emissionen enthält als die Ansaugluft. Doch im sogenannten "Nonroad"-Bereich, in Baugruben, auf Äckern und Skipisten, ist die Schadstoff-regulierung bislang noch nicht angekommen. Dabei tragen Arbeitsfahrzeuge erheblich zur Luftverschmutzung bei: Bagger, Kipplader, Traktoren, Raupen oder Kräne erzeugen nach Angaben des Bundesumweltamts knapp die Hälfte aller Rußpartikel und 20 Prozent der Stickoxide, die insgesamt von Fahrzeugen ausgestoßen werden. Gründe hierfür sind die vielen Einsatzstunden, die lange Nutzungsdauer und die gewaltigen Dieselmotoren. Die größten Dreckschleudern sind Fahrzeuge aus Landwirtschaft, Industrie und Bauwirtschaft. Insbesondere an Großbaustellen werden Anwohner ebenso wie Arbeiter hochkonzentrierten Luftbelastungen ausgesetzt.

Das ändert sich nun: Ab 2011 treten in Europa weit strengere Grenzwerte in Kraft. Die Dieselantriebe von Arbeitsmaschinen dürfen künftig nur noch Bruchteile der heute üblichen Mengen an Ruß und Stickoxiden ausstoßen. Die Hersteller reagieren darauf mit zwei Strategien. Zum einen mit der klassischen Abgasreduktion, bei der Rußpartikel und Stickoxide durch eine optimierte Verbrennung sowie durch Filter und Katalysatoren im Abgastrakt unschädlich gemacht werden. Solche Systeme sind in Lastwagen und zum Teil auch in Diesel-Pkws im Einsatz.

Der andere Weg besteht darin, die Energieeffizienz der Geräte zu erhöhen. Bei vielen Arbeitsmaschinen wandert ein Großteil der Leistung nicht in die Fortbewegung, sondern in den hydraulischen Antrieb von Kränen, Frontladern, Auslegern oder Anbau-Aggregaten. Dabei drückt eine üblicherweise direkt vom Dieselmotor betriebene Pumpe Öl mit hohem Druck in Hydraulikzylinder. Das lässt sich auch mit Strom machen: Der Dieselmotor treibt einen Generator an, die Arbeit der Hydraulikstempel aber übernehmen Elektromotoren.

Ein Vorreiter dieser Entwicklungsrichtung ist der Landmaschinenhersteller John Deere. Seit 2008 werden dort die Nebenaggregate der Dieseltraktorreihe "E Premium" – Kühlgebläse, Klima- oder Druckluftkompressoren – elektrisch statt mechanisch angetrieben. Dadurch können sie genauer an den jeweiligen Bedarf angepasst und unabhängig von der Motordrehzahl geregelt werden. Das spart Treibstoff. In Zukunft will John Deere immer mehr mechanische und hydraulische Systeme durch elektrische ersetzen. Schon heute können Anbaugeräte direkt den Strom vom Hybridmotor im Traktor ziehen, statt über eine Zapfwelle angetrieben zu werden – vorausgesetzt, sie sind dafür konstruiert. "Wir sind vielleicht ein bisschen weit vorneweg, doch der Trend geht in Richtung Elektrifizierung", meint Oliver Neumann, Public-Relations-Chef bei John Deere Werke Mannheim. "Die Energieeffizienz ist einfach besser." Bei bereits bestehenden Güllepumpen, Düngerstreuern oder Sähmaschinen kann zumindest die Zapfwelle bald direkt elektrisch betrieben werden, statt wie bislang an die Motordrehzahl des Diesels gekoppelt zu sein.

Sind die Zusatzaggregate und Anbauten erst einmal elektrifiziert, ist es als nächster Schritt nur konsequent, die Arbeitsmaschine gleich ganz per Strom anzutreiben. Vorbild dafür sind Diesellokomotiven – bei ihnen nimmt die Antriebsenergie seit jeher den Umweg über Generator und Elektromotor. Doch der dieselelektrische Antrieb wird jetzt zunehmend auch für kleinere Nutzfahrzeuge interessant, weil Umwandler und Motoren immer besser werden. Das Traktorenwerk Minsk testet derzeit den dieselelektrischen Traktor "Belarus 3023". Der Dieselmotor agiert hierbei lediglich als Generator, der den Strom für verschiedene Elektromotoren liefert – auch für den Vortrieb.

Je kleiner die Fahrzeuge, desto eher lassen sich auch Batterien als Stromspeicher einsetzen. Der Ulmer Nutzfahrzeughersteller Kässbohrer hat bereits dieselelektrisch betriebene Pistenraupen im Testbetrieb, die bergab eine gewisse Menge Bremsenergie zurück in Batterien speisen können.

"Seriellen Hybrid" nennt man bei Pkws dieses Antriebskonzept, bei dem es keine direkte mechanische Verbindung mehr zwischen Verbrennungsmotor und Rädern gibt. Die Schwester-modelle Chevrolet Volt und Opel Ampera sollen dieses Konzept schon bald auf die Straßen bringen. Dabei entfallen auch eine ganze Reihe von Bauteilen, zum Beispiel das Getriebe. Auf den ersten Blick scheint die Elektrifizierung ein unnötiger Umweg zu sein – schließlich muss dazu erst die Bewegungsenergie des Dieselmotors in elektrische und anschließend wieder zurück in mechanische verwandelt werden. Bei jeder Umwandlung geht ein gewisser Prozentsatz an Wirkungsgrad verloren. Dass sich dieser Schritt dennoch lohnen kann, hängt mit der Charakteristik von Verbrennungsmotoren zusammen: Wenn ein Motor nur in einem engen Last- und Drehzahlbereich läuft, lässt er sich besser für diesen Bereich optimieren – und produziert auch weniger Abgas. Genau das ermöglicht ein serieller Hybridantrieb: Der Verbrennungsmotor läuft weitgehend gleichmäßig im optimalen Bereich, und wenn für kurze Zeit viel Leistung benötigt wird, springen Batterien als Energiepuffer ein.

Einige Firmen wie der Zulieferer Bosch-Rexroth setzen allerdings nach wie vor auf Hydraulikmotoren. Ein kleiner Prototypen-Raupenbagger führt vor, wie sich deren Wirkungsgrad mithilfe von höherem Druck und Steuersystemen verbessern lässt. Jede Ansteuerung eines hydraulischen Motors, jeder Stupser an den entsprechenden Joysticks wird hierbei zeitgleich auch ans Motormanagement weitergegeben. Der Dieselmotor kann sich zum Beispiel sofort auf eine höhere Last einstellen, statt erst in der Drehzahl einzuknicken und dann nachzukorrigieren. Hydraulik hat außerdem den Vorteil, dass sie viel Energie in kurzer Zeit speichern und abgeben kann – Eigenschaften, die heutigen Batterien fehlen. Bosch-Rexroth erprobt derzeit einen Mülllaster, der beim Bremsen oder bei Bergabfahrten Energie in einem Drucktank speichert und sie dann für kurze Leistungsschübe, etwa an einer Steigung, nutzen kann. Das spart Treibstoff und schont den Motor.

"Hydraulik müssen Sie immer anbieten", sagt Josef Nuscheler vom Traktorenhersteller Fendt. Nur wenige der bestehenden Anbaugeräte sind für eine elektrische Energieversorgung, wie sie John Deere favorisiert, ausgelegt. Selbst unter den Neukonstruktionen gibt es bisher kaum welche für den elektrischen Abtrieb. Nuscheler sieht den Durchbruch elektrischer Zusatzgeräte "in den nächsten Jahren nicht. Das sind erste zaghafte Schritte und noch kein großer Trend." Obwohl auch Fendt an elektrischen Lösungen forscht, sind sie für die nächste Zeit mit dem Wirkungsgrad ihres hydraulisch-mechanischen Vario-Antriebs zufrieden. Hydraulik bleibt nach Nuschelers Einschätzung marktrelevant, Manipulatoren wie Schaufeln oder Heber werden in praktisch allen kommenden Modellen von hydraulischen Hubkolben betätigt statt etwa von elektrischen Linearmotoren. Das Rennen zwischen Hydraulik und Elektrik ist also noch lange nicht gelaufen. Wie der Antrieb von Rädern und Aggregaten in der Zukunft auch aussehen mag, eines jedoch ist sicher: Der effiziente Dieselmotor spielt nach wie vor eine entscheidende Rolle und wird uns noch einige Zeit erhalten bleiben. (bsc)