Elektroantrieb -Bye Bye Diesel? Das bieten Elektroantriebe

Obwohl die Elektrifizierung längst Einzug in unseren Alltag erhalten hat, sucht man vollelektrische Landmaschinen jedoch meist vergeblich. Dies hat verschiedenste Gründe. Ursächlich hierfür sind die hohen Anforderungen an Landmaschinen, zum Beispiel die schwere und stundenlange Bodenbearbeitung unter Volllast auf der einen und die eingeschränkte Batteriekapazität auf der anderen Seite. Hinzu gesellen sich logistische Herausforderungen, zum Beispiel das Aufladen auf dem Feld. Nimmt man nur die beiden Kriterien dauerhafter Volllastbetrieb sowie Ladeinfrastruktur, zeigen sich entscheidende Unterschiede im Vergleich zum Einsatz elektrischer Antriebe im Pkw. Ein Auto benötigt nur selten volle Leistung und schon gar nicht über mehrere Stunden. Zudem lässt sich auch die Ladeinfrastruktur erheblich einfacher realisieren. Aufgrund dieser erhöhten Anforderungen ist eine Elektrifizierung nach derzeitigem Stand der Technik vermutlich erst zehn Jahre nach der Elektrifizierung im Pkw-Sektor flächendeckend umzusetzen. Da die Herausforderungen im Lkw-Sektor nicht ganz so fordernd sind wie im landwirtschaftlichen Bereich, könnte hier eine Elektrifizierung bereits fünf Jahre vorher erfolgen.

Die Chance hierbei besteht darin, dass die Elektrifizierung branchenübergreifend zur Schlüsseltechnologie der Zukunft gekürt wurde. Dies ermöglicht hohe Investitionen in Forschung und Entwicklung, um die entscheidenden Komponenten für einen elektrischen Antriebsstrang zu optimieren. Von dieser Entwicklung wird auch die Landtechnik profitieren. Jedoch bietet jede Chance auch Risiken. So führt eine steigende Elektrifizierung quer durch alle Marktbereiche auch zu einer erhöhten Nachfrage an wichtigen und vor allem nicht unendlich verfügbaren Rohstoffen, wie zum Beispiel Silicium. Dies führt unweigerlich zur Frage, welche Kernelemente eine Schlüsselrolle bei der Elektrifizierung darstellen und wie sie miteinander interagieren.

Bei dem Thema Elektrifizierung denkt man in der Regel an einen elektrischen Antrieb, den sogenannten Traktionsantrieb. Also ein Motor, der für die Fortbewegung des Fahrzeugs notwendig ist. Im Fachjargon spricht man von einer elektrischen Maschine.

Hier sei auch gleich ein wichtiger Vorteil der E-Maschine erwähnt. Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor wird die elektrisch zugeführte Energie in mechanische Energie umgewandelt und somit das Fahrzeug angetrieben. Hierbei spricht man von einer elektrischen Maschine im Motorbetrieb. Darüber hinaus kann die E-Maschine auch umgekehrt eingesetzt werden und mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Hier spricht man von einer elektrischen Maschine im Generatorbetrieb. Zu Nutzen macht man sich den Generatorbetrieb beim Rekuperieren, was einen Energie-Umwandlungsprozess beschreibt. Konkret bedeutet es, dass ein Fahrzeug zum Beispiel beim Bergabfahren durch die elektrische Maschine verlangsamt wird und zusätzlich mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt und anschließend in einer Batterie speichert.

Einen weiteren großen Vorteil bietet die Elektrifizierung durch die Variantenvielfalt. Bei Dieselmotoren lassen sich zum Beispiel Leistung und Drehmoment nach den jeweiligen Anforderungen dimensionieren. Es bleibt jedoch grundsätzlich bei einem Diesel-Aggregat. An diesem grundsätzlichen Prinzip ändert auch ein mit Pflanzenöl betriebener Dieselmotor oder ein wasserstoffbetriebener Otto-Motor nichts. Bei elektrischen Antrieben gibt es jedoch eine enorme Bandbreite an verschiedenen Varianten, wie zum Beispiel der permanentmagneterregten Synchronmaschine (PSM), der Asynchronmaschine (ASM) oder der geschalteten Reluktanzmaschine (SRM) (siehe Kasten). Jede einzelne E-Maschine bietet individuelle Vor- und Nachteile hinsichtlich Zuverlässigkeit, Langlebigkeit, Ausfallsicherheit, Nachhaltigkeit, Kosten, Ressourcenverfügbarkeit oder Leistungsdichte, um nur einige Parameter zu beschreiben. Auch wenn die PSM bei Personenkraftwagen aufgrund der hohen Leistungsdichte dominiert, so werden viele weitere Varianten von E-Antrieben im Pkw-Sektor eingesetzt. Dadurch wird die serielle Variantenvielfalt untermauert. Und da der Pkw-Sektor oft als Vorreiter für die Sparte der mobilen Arbeitsmaschinen angesehen wird, sind zukünftig auch im Bereich der Landtechnik unterschiedliche Lösungsansätze denkbar.

Weiterhin bietet sich auch die Möglichkeit, die E-Maschine an exakt der gleichen Stelle zu platzieren wie zuvor das Dieselaggregat, sozusagen als Eins-zu-eins-Ersatz.

Darüber hinaus besteht aber auch die Option, die E-Maschine an Vorder- oder Hinterachse anzubringen. Auch der Einsatz mehrerer elektrischer Maschinen kann eine sinnvolle Lösung darstellen. So zum Beispiel zwei E-Maschinen als Achsantrieb an Vorder- und Hinterachse. Stellt jedoch ein individueller Antrieb der einzelnen Räder die ideale Lösung für den Einsatzbereich der Maschine dar, so lässt sich dieses Konzept mit vier E-Motoren, welche am Rad als „radnahe“ Antriebe oder direkt in der Radnabe, als sogenannter Radnabenantrieb, umsetzen. Aufgrund der guten Regelbarkeit elektrischer Maschinen wird bei Einzelradantrieb eine individuelle und intelligente Ansteuerung der einzelnen Räder ermöglicht. Gerade bei nassem Untergrund kann eine Einzelradansteuerung Schlupf vermeiden und zudem die Bodenschonung erhöhen.

Diese Variantenvielfalt erlaubt zusätzliche Freiheitsgrade bei der Anordnung, Dimensionierung und Platzierung des Antriebsstranges und ermöglicht dadurch individuelle Bauraumauslegungen. Dies hat auch erhebliche Auswirkungen auf weitere mechanische Komponenten des Antriebsstranges, wie zum Beispiel das Differential. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Kraft erzeugt und anschließend auf die Räder übertragen werden muss. Sitzt der E-Motor zentral, wie bei einem herkömmlichen dieselbetriebenen Fahrzeug üblich, muss die Energie bei Allradantrieb anschließend mechanisch an Vorder- und Hinterachse übertragen werden. Dies zieht Leistungsverluste nach sich und erfordert die Integration starrer Antriebskomponenten im Fahrzeugrahmen. Wird die elektrische Maschine nah am Rad angebracht, werden starre mechanische Antriebskomponenten zwischen Vorder- und Hinterachse ebenso überflüssig wie zum Beispiel ein Differentialgetriebe.

Den beschriebenen Vorteilen stehen jedoch auch Nachteile gegenüber, welche bei der Auslegung des Antriebsstranges berücksichtigt werden müssen. Vergleicht man die Systeme mit einem zentralen E-Antrieb oder auch mit zwei E-Antrieben als Achsantrieb und Einzelradantrieb, müssen unter anderem Kosten, Ballastierung sowie Bauraum- und Thermomanagement berücksichtigt werden.

Zum Thema Kosten zählen unter anderem die Produktionskosten und beispielsweise die Frage, ob es günstiger ist, einen E-Motor mit 100 kW, zwei 50 kW oder vier E-Maschinen mit je 25 kW einzusetzen. Auf der einen Seite steigen die Motorkosten, wenn auch die Materialkosten steigen. Hierbei können Seltene Erden für Permanentmagnete, wie sie bei der PSM eingesetzt werden, eine entscheidende Rolle spielen. Auf der anderen Seite ist die PSM die am meisten eingesetzte E-Maschine und wird dadurch seriell in großer Stückzahl produziert, was sich wiederum kostensenkend auswirkt. Zudem erfordert jeder einzelne Antrieb einen den Anforderungen entsprechend ausgelegten Anschluss zur Stromversorgung. Die elektrische Leistung muss zielgerichtet mittels Kupferleitungen transportiert werden. Je nach Bordnetzspannung müssen eben diese Leitungen zwischen Batterie, Inverter und Antrieb ausgelegt werden. Erhöht man die Bordnetzspannung, müssen auch die Elektronikkomponenten und die eingesetzte Leistungselektronik entsprechend ausgelegt sein. Reduziert man jedoch die Spannung, muss der Strom gleichzeitig erhöht werden, um die gleiche Leistung zu übertragen. Hohe Ströme verursachen jedoch hohe Wärmeverluste und erfordern stärkere Kupferleitungen, was einen beachtlichen Kostenpunkt darstellt. Dadurch ergeben sich große Unterschiede zwischen einem Zentralantrieb und vier Antrieben im oder am Rad.

Auch der Ballastierungs- und Bauraumthematik muss Aufmerksamkeit geschenkt werden. Die zuvor angesprochenen Kupferleitungen sind bereits ein Aspekt. Zudem gibt der zum Einsatz kommende Fahrzeugrahmen bereits Rückschlüsse darüber, ob ein Zentral-, Achs- oder Radantrieb eingesetzt werden kann. Weiterhin ist auch das Anforderungsprofil der späteren Maschine entscheidend. Dies ergibt sich daraus, dass ein Rad- oder Achsantrieb mehr Gewicht auf die einzelnen Achsen verlagert. Bei schweren Bodenarbeiten oder Einsätzen im Steilhang können dadurch Nachteile entstehen. Hierzu zählen unter anderem der durch das Zusatzgewicht entstehende Kraftstoffmehrverbrauch sowie die steigende Bodenverdichtung. Zudem erzeugt jeder E-Antrieb Verlustwärme, welche es sicher abzuführen gilt. Bei einem zentralen E-Antrieb muss das Thermomanagementsystem lediglich dieses Antriebsaggregat kühlen. Bei Radnabenantrieben wird ein effizientes Thermomanagementsystem komplizierter und teurer. Das Thermomanagementsystem stellt eine der wichtigsten Systeme dar, weil es die Überhitzung der E-Maschine ebenso verhindert, wie Hitzeschäden an Leistungselektronik oder Batterie.

Die Batterie dient als Energiespeicher und ist oftmals der Flaschenhals des Antriebsstranges. Elektrofahrzeuge definieren sich heutzutage über ihre Reichweite. Bei Lastkraftwagen verstärkt sich dieser Aspekt noch und gipfelt beim batterieelektrischen Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen. So könnte man bereits heute leistungsstarke Traktoren vollelektrisch fertigen, wenn die Batteriekapazität den aktuellen Anforderungen gerecht werden würde. Gerade Großtraktoren werden auch über zehn Stunden täglich und unter Volllast bei schweren Bodenarbeiten eingesetzt. Um dies zu realisieren, müsste eine entsprechende Batterie zehn Tonnen und mehr wiegen. Daher ist dies zurzeit noch unrealistisch. Die Elektrifizierung von Traktoren bis 100 kW oder Hofladern ist jedoch eine bereits heute erfolgreich umsetzbare Variante. Zum Einsatz kommen hierbei meist Lithium-Ionen-Batterien, die sich durch ihre hohe Energiedichte auszeichnen. Jedoch ist auch bei der Batterie das richtige Thermomanagement von entscheidender Bedeutung, um die Lebensdauer zu verlängern. Dies erfordert, dass die Li-Ionen-Batterie im idealen Temperaturbereich eingesetzt wird und somit nicht nur im Sommer gekühlt, sondern auch im Winter geheizt werden muss. Zudem muss auch die Selbstentladung berücksichtigt werden, was gerade bei Landmaschinen, die im Winter nicht benötigt werden, einen Unterschied zur bewährten Dieseltechnik darstellt.

Die Elektrifizierung ist ein spannendes Feld und man sollte sich diesem nicht verschließen. Es gibt sicherlich noch große Hürden und Herausforderungen, aber bereits heute sind klare Vorteile elektrifizierter Fahrzeuge erkennbar. Zudem können unsere gemeinsamen Klimaziele nur durch Weiterentwicklung der Elektrifizierung erreicht werden, auch wenn hierbei die Last auf mehrere Schultern, wie zum Beispiel Wasserstoff-Verbrennungsmotoren, verteilt werden muss.

PSM (Permanentmagneterregte Synchronmaschine)

■ Wirkprinzip der Lorentzkraft (eine Kraft, die auf eine Ladung im elektrischen oder magnetischen Feld wirkt)

■ Am häufigsten eingesetzte E-Maschine

■ Ideal für hocheffizienten Antrieb

■ Einsatz von Permanentmagneten (Seltene Erden) im Rotor  Rotor ist komplexer aufgebaut als bei der SRM

■ Zu hohe thermische Belastung kann zu einer Ummagnetisierung der Permanentmagnete führen

■ Spitzenwirkungsgrad sowie Maximal- und Dauerleistungsdichte höher als bei der SRM

■ Hauptsächlich Eisenverluste im Stator

SRM (englisch: Switched Reluctance Machine, zu Deutsch: Geschaltete Reluktanzmaschine)

■ Wirkprinzip der Reluktanzkraft (der Begriff „Reluktanz“ bezeichnet den magnetischen Widerstand)

■ Einfach aufgebauter Rotor ohne Wicklungen oder Permanentmagnete
– Daraus resultiert, dass die Verlustwärme hauptsächlich im Stator entsteht
– geringere Anforderungen an das Thermomanagementsystem

■ Aufgrund des einfach aufgebauten Rotors besitzt die SRM zudem ein geringeres Trägheitsmoment als die PSM  dies ermöglicht eine höhere Dynamik der SRM

■ Sehr robuste E-Maschine

■ Günstiger und zuverlässiger als die PSM

■ Hohes Hochlaufmoment

■ Aufwändige Ansteuerung sowie Nachteile beim Teillastwirkungsgrad

ASM (Asynchronmaschine)

■ Hauptmerkmal der ASM besteht darin, dass sich der Rotor immer asynchron zum Stator dreht. Die sich daraus ergebende Drehzahldifferenz zwischen Rotor und Stator wird als Schlupf [s] bezeichnet und stellt eine wichtige Kenngröße der ASM dar. Bei synchroner Drehzahl zwischen Rotor und Stator könnte die ASM kein Drehmoment aufbringen. Daher ist die Rotordrehzahl im motorischen Betrieb immer kleiner und beim Betrieb als Generator größer als die Drehfelddrehzahl.

■ Bei der ASM wird zwischen den Bauformen des Schleifringläufers und des Käfigläufers unterschieden. Der Stator ist in beiden Bauformen gleich. Der Käfigläufer ist die am häufigsten verwendete Bauform der ASM und der Rotor besteht aus kurzgeschlossenen Stäben. Der Rotor des Schleifringläufers besteht hingegen aus Wicklungen anstelle von Stäben. Diese Wicklungen werden über Schleifringe nach außen geführt und über zusätzliche Widerstände kurzgeschlossen

■ Einfache Konstruktion, hohe Zuverlässigkeit und geringer Wartungsaufwand

■ Der überwiegende Anteil der Verluste einer ASM sind auf Kupferverluste zurückzuführen

■ Eine ASM wird, wie auch die SRM, ohne den Einsatz von Permanentmagneten betrieben – Dadurch auch ein geringeres Drehmoment der ASM als eine PSM mit identischem Volumen

Der Autor André Müller ist 34 Jahre alt und lebt in Hessen. Landtechnik ist seine große Leidenschaft. So hilft er neben seiner Ingenieurstätigkeit bei einem Elektronikspezialanbieter bei Landwirten und Lohnunternehmen als Fahrer aus.

Für seinen Bachelor of Engineering (B. Eng.) in Mechatronik erstellte er zwei wissenschaftliche Studienarbeiten zum Thema Landwirtschaft:

1. Serviceunterschiede zwischen elektrischen Antriebssystemen und konventionellen Antrieben in der Landtechnik

2. Precision Farming und Service-Potenziale bei der Landwirtschaft 4.0

Für den Master of Science (M. Sc.) in Innovations- und Technologiemanagement verfasste er die Masterthesis: Analyse von konventionellen, elektrischen, hybriden sowie wasserstoffbetriebenen Antrieben und Konzeptentwicklung einer zukunftsfähigen Antriebsart für Traktoren.

E-Mail: andremueller.88 @ web.de

Die Technologie ist bereits heute vorhanden, um die Elektrifizierung in der Landtechnik kurzfristig und im niedrigen Leistungsbereich umzusetzen. Es gilt nun, diesen bereits eingeschlagenen Weg konsequent fortzuführen.

Die Schlüsselrolle spielt hierbei nicht eine Einzelkomponente wie der elektrische Antrieb oder die Batterie, sondern die effiziente und bestmögliche Vernetzung aller Einzelkomponenten zu einem Gesamtsystem mit möglichst hohem Wirkungsgrad und geringen Verlusten.