Elektrische Antriebe und Steuereinheiten von STW stecken bereits in etlichen Landmaschinen, Feuerwehrfahrzeugen oder auch in dem neuen, dieselelektrischen Pistenbully. ke NEXT hat sich Produktion und Prüfstand bei STW in Kaufbeuren angesehen und mit dem zuständigen Projektleiter gesprochen.
Die Firma STW hat ja nun schon einige Produkte für den Bereich Elektromobilität und mobile Maschinen. Wie kam es dazu?
Angefangen haben wir 2001. Da haben wir uns gesagt: Wunderbar, es gibt seit über 100 Jahren Elektromotoren, es gibt Frequenzumrichter, bringen wir das einfach mal in das Fahrzeug mit ein. Da sind wir ganz blauäugig rangegangen. Wir dachten wir starten das Projekt, Komponenten gibt’s ja, bauen das alles ein und dann funktioniert das. Aber dem war nicht so. Es gibt zwar Elektromotoren, es gibt Umrichter. Aber die sind nicht vibrationsfest genug, nicht kompakt genug. Sie haben einen zu geringen Temperaturbereich und die Wasserkühlung hat 20 Grad Vorlauftemperatur. Das sind alles so Eigenheiten, die man am Fahrzeug nicht brauchen kann. Wir haben also erkannt, dass es für einen ersten Prototypen vielleicht reicht, aber das ist nicht für die Serienanwendung tauglich. Und wie es halt so ist: Wenn es irgendwas nicht auf dem Markt gibt – dann fängt man an selber zu entwickeln. So sind unsere Komponenten entstanden, also Motor-Generator-Einheiten mit Frequenzumrichter, Batterien und Batterie-Management-Systeme. Wobei wir unseren Schwerpunkt derzeit im Power-Management haben.
„Technische Probleme gibt es eigentlich relativ wenig. Das Hauptproblem liegt im Kosten/Nutzen-Bereich. Da muss die Elektrotechnik noch konkurrenzfähiger werden.“Dietmar Schrägle, STW
Warum gerade das Energie-Management?
Wir haben in einem Hybrid-Fahrzeug ja etliche Energieerzeuger und -verbraucher, manche Komponenten wie Batterie oder Motor/Generator können sogar abwechselnd Energie aufnehmen oder abgeben. Das Wichtigste ist, dass man ein Power-Management hat, das die Energieströme kontrolliert. Dass keiner zu viel Energie entnimmt – dann wird der Zwischenkreis leergesaugt und das Fahrzeug bleibt stehen. Oder zu viel einspeist, etwa bei Bergabfahrt, wenn die Elektromotoren generatorisch wirken. Da muss man die Balance halten und die Energie so dosieren, dass so wenig wie möglich und so viel wie nötig im Energietopf ist. Sodass die Batterie möglichst klein bleiben kann und der Dieselmotor nur das einspeist, was die anderen Komponenten verbrauchen und er im optimalen Drehzahlbereich gehalten wird.
Gut. Die ersten Versuche waren also eher experimentell. Wie gehen Sie heute vor, wenn Sie ein neues Projekt angehen?
Heute kommen Kunden zu uns und fragen: Rechnet sich so ein System überhaupt? Was muss ich denn machen und wie fange ich an? Wir machen dann erst mal eine Bestandsaufnahme. Wir fragen, was sie denn für ein Fahrzeug elektrifizieren wollen, was sie für eine Anwendung haben. Bei den mobilen Arbeitsmaschinen ist es halt so, dass das mögliche Anwendungsgebiet sehr, sehr breit ist. Und jede Anwendung hat ihre Spezialität, die muss man erst mal rausarbeiten. Wir erstellen ein Profil, ein Energieflussdiagramm – ob man viele Peaks drin hat, ob man hohe Grundlast hat oder mehrere Teillastbereiche und wie oft Volllast vorkommt. Und für dieses Grunddiagramm muss man die Energiebilanz darstellen. Erst dann kann man sich Gedanken dazu machen, ob es überhaupt Sinn macht, alles zu elektrifizieren. Vielleicht fängt man ja auch erst mal an, nur die Spitzen zu kappen, einen Speicher dazwischen zu legen, sodass man die Dieselmotor-Leistung runter bringt und nur die Spitzen puffert. Mit solchen einfachen Rechnungen fängt man an.
Der PistenBully 600 E + mit dieselelektrischem Hybridantrieb kann bis zu 20 Prozent Kraftstoff einsparen. Er nutzt die PowerMela-Antriebe von STW.
Zu welchen Ergebnissen kommen Sie? Ab wann lohnt es sich? Hat die Hydraulik bald ausgedient?
So schnell auf jeden Fall nicht. Die Hydraulik hat nach wie vor ihre Berechtigung. Die wird auch über lange Zeit Bestand haben. Ich würde es jetzt eher so sehen, dass die Elektrotechnik eine Ergänzung ist. Die Elektrohydraulik kommt ja mehr und mehr, also dass man Linearzylinder per Elektromotor ansteuert. Auch der Dieselmotor als Energiequelle wird bestehen bleiben, weil Batterien auf längere Sicht zu schwer und zu leistungsschwach sind. Bei den meisten Arbeitsmaschinen macht eine rein elektrische Anwendung wenig Sinn. Wenn der Traktor zehn Stunden auf dem Acker fährt und die Energie praktisch mit dem Pflug in den Boden reinrammt, dann ist es nicht sinnvoll, viel mit Batterien zu puffern. Bei Müllfahrzeugen wiederum, mit Stopp-and-Go-Arbeitsweise oder bei Kehrmaschinen, die mal kurzzeitig im emissionsfreien Betrieb fahren wollen, ist das eher nützlich. Vielleicht kommt ja mal ein Gesetz, das emissionsfreie Innenstädte fordert. A propos emmisionsfrei: Ich finde die Diskussion über emissionsfreie Flughäfen witzig. Da starten dann die Flugzeuge mit Tonnen von Kerosin, aber die mobilen Maschinen am Flughafen sollen emissionsfrei sein…
Wo sehen Sie denn den größten Nutzen von Elektroantrieben in mobilen Arbeitsmaschinen?
Da gibt es viele. Zum einen die genannten Stop-and-Go-Anwendungen. Entsprechende Fahrzeuge beschleunigen dreimal schneller als herkömmliche, verbrauchen aber 30 Prozent weniger Diesel. Zum Teil kommen da dann noch ganz andere Nebeneffekte dazu: Müllfahrzeuge zum Beispiel, die dürfen wegen der Geräuschemission oft erst ab sieben Uhr in die Innenstädte. Die könnte man in Hybridbauweise so leise bauen, dass der Dienstleister früher in die Städte kann und so staufrei den Müll abholen kann. Dadurch bekommt er eine deutlich effizientere Auslastung seiner Fahrzeuge. Oder eine Diesellok, die wir gerade mit einem Energiespeicher ausrüsten. Die Elektromaschine glättet Lastspitzen beim Anfahren und ermöglicht es, in Bahnhöfe emissionsfrei einzufahren. Da gibt es schon viele nützliche Möglichkeiten.
Sehen das die Kunden genauso?
Manchmal kommt der Appetit erst mit dem Essen. Wir haben einen Kunden, der wollte 30 kW elektrische Leistung an seinem Fahrzeug. Wir haben ihm dann aber erst mal den großen Generator mit 140 kW gegeben, er sollte einfach mal ausprobieren, wie er da hinkommt. Seine Entwickler waren dann so innovativ und haben gesagt: das könnte man noch elektrifizieren und das könnte man noch elektrifizieren. Mittlerweile sind wir schon bei gut 80 kW elektrische Leistung, obwohl nur 30 gefordert waren. Aber wenn man die elektrische Leistung mal im Fahrzeug hat, dann weckt das den Bedarf. Da lassen sich auch Prozesse auf der Maschine optimieren. Technische Schwierigkeiten gibt es heute im Grunde kaum noch. Einer der wichtigsten Punkte für die Kunden ist aber immer noch die mögliche Energieeinsparung.
Aber rechnet sich das wirklich? Elektromaschinen sind doch viel teurer.
Da haben wir das Henne-Ei-Problem. Elektroantriebe werden preiswerter, wenn sie in großen Stückzahlen verkauft werden. Und sie werden in großen Stückzahlen verkauft, wenn sie preiswerter sind. Die Kosten sind heute das Hauptproblem. Weil die Kunden, Landwirte, Bauunternehmer, Kommunen, sind meistens investitionsgetrieben. Da gibt’s wenige Emotionskäufer wie beim Automobil. Ein Ketten/Riemen-Antrieb, das ist von der Produktionsseite so professionalisiert und industrialisiert, dass das sehr günstig zu produzieren ist. Und jetzt kommen wir mit einem Umrichter, mit der Elektromaschine – die kosten halt erst mal 2000 oder 3000 Euro. Und jetzt muss man da eine Kette ersetzen, die 40 Euro kostet. Auf der anderen Seite: Die Wartungskosten sinken in der Regel, und dynamisch regelbare Elektroantriebe eröffnen viel mehr Möglichkeiten als ein starrer Kettenantrieb. Gerade bei internen Verbrauchern kann man noch sehr viel Energie einsparen. Lüfter, Klimaanlagen, all das kann man praktisch bedarfsgerecht optimieren. Und man kann die Energie einfach Kabel sehr gut verteilen. Man hat kein Gestänge oder irgendwas mit Mechanik oder Hydraulik. Und gerade in der Hydraulik – Sie wissen es ja – der höchste Kreis bestimmt das gesamte Druck-Niveau. Da ist die Elektrik wesentlich effizienter.
Das Power-Mela-C-System (hier das Modell mit 140 kW) wird in Land- und Baumaschinen, Nutz- oder Kommunalfahrzeugen eingesetzt, um diesel-elektrische Fahrantriebe zu realisieren. Ebenso können an einem offenen elektrischen Bordnetz sowohl verschiedene Verbraucher, als auch Aufbau- und Anbaugeräte elektrisch betrieben werden.
Wie klappt bei Ihren Projekten denn die Zusammenarbeit mit Hydraulikern und Mechanikern?
Das ist manchmal nicht so ganz einfach. Wenn man sich vorstellt, dass man jetzt 40, 50 Jahre Hydrauliktechnik betreibt und die ganze Firma Maschinenbau dominiert ist – und jetzt kommt da jemand mit zwei Käbelchen an, dann gibt es schon Vorbehalte. Strom sieht man nicht, riecht man nicht – einige wollen mit dem Zeug gar nichts zu tun haben. Das sind so die Spannungen und das macht es ja auch spannend. Man muss sich das so vorstellen: das ist ein kompletter Technologiewechsel, ein richtiger Technologiesprung. Und das schafft man nicht von heute auf morgen. Interessant dabei: Elektrotechniker und Mechaniker/Hydrauliker meinen oft, dass sie das gleiche reden. Aber es wird dann unterschiedlich interpretiert. Das ist das Erstaunliche. Die einen denken halt nur in Druck und Volumenstrom, und wir denken in Strom und Spannung. Die Kenngrößen beeinflussen immer die Leistung, aber das Verständnis ist oft nicht das gleiche.
Sind die Unterschiede wirklich so groß?
Nun, Elektrotechnik, Maschinenbau- und Fahrzeugtechnik verschmelzen ja immer mehr. Im Schwachstrombereich, also im Steuerungsbereich, ist es ja schon gang und gäbe, dass die Elektrotechnik da mit dabei ist. Aber im Leistungsbereich, wo jetzt die Hydraulik dominiert, da tun sich manche Leute noch schwer. Das geht bei banalen Dingen los, dass man die Leute schulen muss; dass man nicht nur eine Hydraulikfachkraft, sondern auch eine Elektrofachkraft mit spezieller Ausbildung im Betrieb braucht. Weil man halt einfach mit höheren Spannungen größer 60 Volt hantiert. Elektroautos liegen bei rund 400 Volt, bei mobilen Maschinen wird es sich im Zwischenkreis bei etwa 650 Volt im höheren Leistungsbereich einpegeln. Und da braucht man andere Voraussetzungen.
Haben Sie denn ein Beispiel, wo es schon gut geklappt hat?
Ja, mit unserer Power-Mela-C-Serie. Das ist eine Elektromaschine samt Umrichter in einem Gehäuse. Damit kann man den Verkabelungsaufwand für die Maschine sehr klein halten. Das lieben die Maschinenbauer. Wir haben 140 kW Dauerleistung, 160 kW kurzzeitig. Diese 140-kW-Maschine haben wir zusammen mit Kässbohrer in einem Pistenbully schon sehr weit in Richtung Serienfertigung getrieben. Hier wurde der hydrostatische Fahrantrieb durch einen diesel-elektrischen ersetzt. Man hat die zwei Hydraulikpumpen rausgenommen und Generatoren eingesetzt, und an jeder Kette den Hydromotor durch eine elektrische Maschine ersetzt. Auch die Fräse hinten, um die Piste zu bearbeiten, ist elektrisch angetrieben. Letztendlich ergeben sich Einsparungen bis zu 20 Prozent. Bei der Bergab-Fahrt nutzt man die Energie der Talfahrt, um die Motoren generatorisch zu betreiben und so die Fräse zu betreiben. Man kann den Diesel im optimalen Drehzahlbereich halten. Das ist auch ein witziges Fahrgefühl. Bisher war es so: Wenn Sie Endgeschwindigkeit fahren wollten, hieß das Vollgas, Dieselmotor am Anschlag. Egal, ob man bergab oder bergauf fährt. Und beim elektrischen ist es so: Wenn man bergab die Endgeschwindigkeit braucht, tritt man zwar das Gaspedal auf Vollgas, aber der Dieselmotor läuft mit sehr niedrigen Drehzahlen. Die Dieselmotor-Drehzahl ist unabhängig von der Fahrpedalstellung und wird bedarfsgerecht geregelt – je nachdem wie das Gelände ist und ob er gerade einen Haufen Schnee schiebt oder nicht.
Wohin wird es mit der Elektrotechnik bei mobilen Arbeitsmaschinen künftig gehen?
Wir konkurrieren mit der Hydraulik, und die ist durch optimiert. Die gibt es seit 50 Jahren. Da macht man den Produktkatalog auf, hat Tausende von Teilen zur Auswahl, kann sich rauspicken was man möchte in allen Farben und Formen, das ist auch alles kompatibel. Und wenn man bei entsprechenden Komponenten in der Elektrotechnik, der Mobilautomation, nachschaut, gibt es nur sehr, sehr wenig bis gar nichts. Auch einheitliche Schnittstellen müssen erst noch geschaffen werden. Aber wir suchen ständig neue Projekte, sind immer interessiert daran, so viele Prototypen wie möglich aufzubauen, um die Begehrlichkeiten zu wecken. Denn die Vorteile der neuen Technologie sind enorm. Es bringt mehr Funktionalität, mehr Automatisierung, mehr Dieseleinsparung. Und je mehr Komponenten und Fahrzeuge auf dem Markt entstehen, umso mehr wächst hoffentlich der Druck auf die Branche, auch zu investieren und innovativ zu sein. Denn es lohnt sich.
Das Gespräch führte Wolfgang Kräußlich, Leitender Chefredakteur