Alternative Antriebe -Traktorantriebe werden zukünftig vielfältiger

Autos gibt es in unterschiedlichen Baugrößen, von der Grundkonzeption her sind sich diese aber alle sehr ähnlich. Die jeweiligen Modelle werden pro Jahr in fünf-, sechs- oder sogar siebenstelligen Stückzahlen hergestellt. Bei Lkw ist das Bild bereits etwas heterogener, weil diese für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden und beispielsweise zwei, drei oder vier Achsen aufweisen können. Noch einmal ganz anders sieht es bei Landmaschinen aus. Diese werden meistens für sehr spezifische Aufgaben ausgelegt; und ein Teleskoplader beispielsweise ist eine ganz andere Maschine als ein Feldhäcksler. Dazu kommen stark variierende Einsatzprofile und Leistungsanforderungen sowie Besonderheiten, wie längere Standzeiten aufgrund von saisonalen Anwendungen (zum Beispiel bei Mähdreschern). Innerhalb der Fahrzeugkategorien herrscht darüber hinaus oft eine große Modellvielfalt. Zum Beispiel Traktoren in der 100-PS-Klasse: Die Hersteller bieten hier meistens mehrere Baureihen an, aus welchen teilweise auch Schmalspurausführungen abgeleitet werden. Das führt dazu, dass in der Landtechnik von einzelnen Modellen pro Jahr oft nur wenige hundert Stück gebaut werden, woraus bei kompletten Neuentwicklungen hohe Kosten resultieren. Alle diese Punkte erschweren die Suche nach geeigneten alternativen Antriebssystemen.

Mit dem bewährten Dieselmotor (Bild 1) ließen sich bisher fast alle antriebstechnischen Herausforderungen in der landwirtschaftlichen Außenwirtschaft lösen. Dieselaggregate laufen dank hoher Drehmomente und geringen Drehzahlen sehr wirtschaftlich und mit den in den Kraftstofftanks mitgeführten Energiemengen lassen sich auch längere Arbeitstage bewältigen. Wenn diese nicht ausreichen, kann innerhalb von wenigen Minuten nachgetankt werden.

Doch welche Alternativen zum heutigen Dieselantrieb stehen denn zur Verfügung? Diese können grob in folgende Kategorien eingeteilt werden:

■ Batterieelektrische Antriebe

■ Brennstoffzellenantriebe

■ Verbrennungsmotoren für alternative Flüssigkraftstoffe

■ Verbrennungsmotoren für gasförmige Alternativkraftstoffe

Im Zusammenhang mit alternativen Antrieben taucht immer sehr schnell der Begriff „Hybrid“ auf. In einen Topf geworfen werden oft auch die Begriffe „Elektrifizierung“ und „Hybridisierung“. Bei Fahrzeug-Hybridantrieben werden in der Regel die Energiewandler „Verbrennungsmotor“ und „Elektromotor“ mit den dazugehörigen Energiespeichern „Kraftstofftank“ und „Hochvolt-Batterie“ kombiniert. Solche Antriebe beinhalten damit Leistungselektrik, was im Umkehrschluss aber nicht bedeutet, dass Fahrzeuge mit Leistungselektrik auch immer „hybrid“ sind. Das eAutoPowr-Getriebe von John Deere beispielsweise weist eine leistungsverzweigte Grundstruktur mit zwei E-Maschinen (Generator / E-Motor) im variablen Zweig auf, die über einen Zwischenkreis mit 700 V Spannung mit Strom versorgt werden. Weil es auf dem Traktor 8R 410, in welchem das stufenlose Getriebe verbaut wird, neben dem Dieseltank keinen zweiten Energiespeicher in Form einer Batterie gibt, handelt es sich bei diesem Konzept aber nicht um einen Hybridantrieb.

Werden die Verbrennungsmotoren von Hybridfahrzeugen (Bild 2) weiterhin mit fossilen Kraftstoffen betrieben, gelten diese heute nicht mehr unbedingt als „alternativ“. Entscheidend bei solchen Fahrzeugen ist also nicht die Hybridisierung, sondern das, was in die Energiespeicher eingefüllt wird. Das gilt auch für batterieelektrische Antriebe: Werden die Batterien mit Strom aus Kohlekraftwerken geladen, sind diese Antriebe unter dem Strich nicht unbedingt alternativ im Sinne von Umweltfreundlichkeit.

An dieser Stelle sei gleich noch erwähnt, dass das im Raum stehende EU-Verbot für Verbrennungsmotoren ab 2035 vorerst nur für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge (< 3.5 t) vorgesehen ist. Das ist auch vernünftig so, denn die bewährten Antriebsaggregate werden oft zu Unrecht pauschal verteufelt. Das CO2-Problem liegt nämlich nicht beim Verbrennungsmotor als Energiewandler, sondern vielmehr bei den fossilen Energieträgern, mit welchen er in den meisten Fällen betrieben wurde! Gerade bei leistungsstarken Landmaschinen – wie Mähdrescher, Feldhäcksler oder Großtraktoren – dürfte es in absehbarer Zeit keine praxistaugliche Alternative zur Kombination „Verbrennungsmotor / energiedichte Flüssigkraftstoffe“ geben.

Weshalb sich batterieelektrische Antriebe für große Landmaschinen kaum eignen, soll mit Hilfe der Tabelle 1 aufgezeigt werden. Dargestellt sind darin Traktoren in fünf unterschiedlichen Leistungsklassen. Je größer die Leistung, umso höher sind in der Regel die Anforderungen bezüglich Einsatzdauer mit einer Tankfüllung. Da große Traktoren zudem oft für schwere Feldarbeiten eingesetzt werden, dürfte hier auch die durchschnittliche Motorauslastung höher liegen. Die entsprechenden Annahmen sind in den Zeilen 2 und 3 eingetragen. Aus diesen Informationen lässt sich nun der Energiebedarf berechnen (Zeile 4). Der Kompakttraktor mit 50 kW Nennleistung beispielsweise erzeugt bei einer durchschnittlichen Auslastung von 40 % eine effektive Leistung von 20 kW, woraus sich bei einer Einsatzdauer von vier Stunden ein Energiebedarf von 80 kWh ergibt. Eine Lithium-Ionen-Batterie mit dieser Netto-Speicherkapazität weist heute ein Gewicht von rund 600 kg und ein Volumen von rund 600 l auf, was ungefähr den Größenordnungen des Dieselmotors mitsamt Nebenaggregaten und Tank entspricht. Die Batterieelektrik führt in dieser Leistungsklasse also kaum zu Mehrgewicht und größerem Bauraumbedarf. Auch bei einem 100-kW-Traktor passen Gewicht und Volumen der Batterie(n) noch einigermaßen ins „Gesamtkonzept“. Mit zunehmenden Leistungen, Einsatzzeiten und Auslastungen verschlechtert sich das Bild aber markant! Für einen 500-kW-Knicklenker, der mit einem Bodenbearbeitungsgerät während zwölf Stunden am Tag seine Runden auf einem abgelegenen Feld drehen sollte, ergibt sich mit dieser einfachen Überschlagsrechnung ein Batteriegewicht von rund 25 Tonnen und ein -volumen von rund 18 m3 (Berechnungsgrundlage: Marktverfügbare 225-kWh-Batterie mit einem Gewicht von 1.37 t und einem Volumen von 1 m3). Nicht berücksichtigt sind hier der bessere Wirkungsgrad von batterieelektrischen Antrieben sowie die Raum-/Gewichtseinsparungen durch den Wegfall von Dieselmotor und Tanks. Nichtsdestotrotz würde das Traktorgewicht stark ansteigen und die Batteriepakete ließen sich auf dem Fahrzeug kaum vernünftig unterbringen.

Die Batterietechnik wird zwar stetig weiterentwickelt und die gravimetrischen und volumetrischen Energiedichten werden in den nächsten Jahren weiter ansteigen (Wh/kg resp. Wh/l). Aus heutiger Sicht dürften Batterien aber immer relativ groß und schwer bleiben, weshalb sich damit ausgerüstete Fahrzeuge in erster Linie für leichte und mittelschwere Anwendungen eignen – oder für periodisch wiederkehrende Arbeiten, bei welchen genug Zeit für das Zwischenladen vorhanden ist.

Brennstoffzellenantriebe zählen ebenfalls zu den elektrischen Systemen. Der Strom kommt hier aber nicht aus der Steckdose, sondern wird erst auf dem Fahrzeug aus Wasserstoff erzeugt. Genügend Energie für die geforderten Einsatzzeiten/Reichweiten unterbringen zu können, stellt auch hier eine große Herausforderung dar. Wasserstoff hat mit 120 MJ/kg einen sehr hohen gravimetrischen Heizwert, aufgrund der geringen Dichte (kg/l) sind die pro Liter Tankvolumen mitführbaren Energiemengen aber gering. Das gilt sowohl für gasförmigen Wasserstoff (Druckniveau üblicherweise 350 oder 700 bar) als auch für Flüssigwasserstoff (Tabelle 2).

Da Brennstoffzellen aufgrund der chemischen Reaktionen nicht schnell auf Lastwechsel reagieren können und ihr Wirkungsgradoptimum zudem im unteren/mittleren Lastbereich haben, werden sie bei Fahrzeugen immer mit Pufferbatterien kombiniert. Damit lassen sich einerseits Lastspitzen abdecken und andererseits Bremsenergie speichern. Fahrprofile von Pkw und Lkw setzen sich meistens aus Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen, Abschnitten mit Steigungen und Gefälle sowie längeren Strecken in der Ebene zusammen. Hieraus resultieren mittlere Auslastungen. Die Pufferbatterien müssen dadurch nicht auf hohe Speicherkapazitäten ausgelegt werden, womit sich das Zusatzgewicht und der Platzbedarf in Grenzen halten.

Anders sieht es einmal mehr bei Landmaschinen aus. Diese laufen oft im oberen Lastbereich und haben zudem kaum Phasen, in welchen Energie zurückgewonnen werden kann. Das gilt beispielsweise für Mähdrescher und Feldhäcksler, aber auch für Traktoren mit Bodenbearbeitungsgeräten. Brennstoffzellen reagieren überdies empfindlich auf Erschütterungen, Staub und gewisse gasförmige Emissionen. Eine weitere Herausforderung stellt bei Landmaschinen der hohe Kühlbedarf dar, weil die Unterschiede zwischen den Arbeitstemperaturen innerhalb des Brennstoffzellensystems und der Umgebungstemperatur oftmals gering sind und es zudem kaum Fahrtwind gibt. Brennstoffzellenantriebe dürften in der Landtechnik in absehbarer Zeit deshalb keine große Verbreitung finden.

Für die mittleren und oberen Leistungsklassen fallen die elektrischen Antriebsoptionen „Batterieelektrik“ und „Brennstoffzelle“ also vorerst einmal weg. Übrig bleibt der Verbrennungsmotor, der in Zukunft eben mit alternativen Kraftstoffen betrieben werden muss! Eine Auswahl an Flüssigkraftstoffen, die sich für die dieselmotorische Verbrennung eignen, ist ebenfalls in Tabelle 2 aufgelistet (Zeilen 2–4). Bei den Dichten (kg/l) und gravimetrischen Heizwerten (MJ/kg) gibt es gewisse Unterschiede. Die auf das Volumen bezogenen Heizwerte (MJ/l) liegen bei diesen aber auf dieselähnlichen Niveaus.

In Bild 4 sind diese Kraftstoffe noch einmal mit einer Bewertung für einige wichtige Kriterien dargestellt. Pflanzenöl lässt sich beispielsweise einfach herstellen, die Kraftstoffeigenschaften sind aber eher ungünstig und erfordern Modifikationen am Motor. Hydriertes Pflanzenöl, HVO, weist dagegen gute, dieselähnliche Eigenschaften auf, was in den letzten Jahren dazu führte, dass die meisten Hersteller ihre Abgasstufe-V-Motoren hierfür freigaben. Die Kehrseite der Medaille ist hier aber der aufwendige Produktionsprozess. Die Verwendung von Fettsäuremethylester FAME/Biodiesel in Reinform (B100) ist in den letzten Jahren etwas in den Hintergrund gerückt, das veresterte Pflanzenöl wird aber weiterhin dem fossilen Diesel beigemischt (B7).

In dieser Übersicht dargestellt ist auch synthetisch hergestellter Flüssigkraftstoff aus Biomasse (Biomass-to-Liquid – BtL), auf welchem große Zukunftshoffnungen liegen. Viel diskutiert wird derzeit auch über E-Fuels. Es handelt sich um synthetische Kraftstoffe, die mit elektrischer Energie aus Wasser und Kohlendioxid (CO₂) hergestellt werden. In Abhängigkeit vom erzeugten Kraftstoff (gasförmig/flüssig) wird dieser Prozess als Power-to-Gas (PtG) resp. Power-to-Liquid (PtL) bezeichnet.

Damit bleibt noch die Option „Verbrennungsmotoren für gasförmige Alternativkraftstoffe“. Schwere Lkw mit Gasmotoren werden bereits seit mehreren Jahren von Iveco, Scania und Volvo angeboten. Das Methangas wird bei diesen Modellen gasförmig als Compressed Natural Gas (CNG) in Druckbehältern oder flüssig als tiefkaltes Liquified Natural Gas (LNG) in isolierten Tanks mitgeführt. Iveco nennt für die LNG-Varianten der Fernverkehrsbaureihe S-Way rund 1.500 km mit einer Tankfüllung, was den Diesel-Pendants wesentlich näherkommt als die derzeit möglichen Reichweiten von elektrischen Antriebssystemen (300 bis 500 km). Stammt das Methan aus erneuerbaren Quellen, können die CO2-Emissionen mit Gasmotoren wesentlich reduziert werden.

New Holland profitierte bisher schon von der langjährigen Erfahrung der Konzernschwester Iveco/FPT und brachte 2022 mit dem T6.180 Methane Power als erster Hersteller einen Serientraktor mit Gasmotor auf den Markt. Der 6-Zylinder-Motor arbeitet nach dem Otto-Verfahren und kann ausschließlich mit Gas betrieben werden (monovalenter Betrieb). Das Methan wird in Form CNG in sieben integrierten Druckbehältern mitgeführt (rund 30 kg), an der Traktorfront kann optional ein sogenannter „Range Extender“ für weitere 43 kg angebaut werden. New Holland zielt mit diesem Traktor auf Gemüsebaubetriebe mit hohen Anteilen an leichten und mittelschweren Arbeiten ab, aber auch auf Biogasanlagenbetreiber mit eigenem Gas.

Da die Energiedichte von CNG pro Liter Tankvolumen im Vergleich zu Diesel bei nur rund einem Fünftel liegt, sind die Einsatzzeiten von solchen Fahrzeugen generell eingeschränkt. Wesentlich besser sieht das Verhältnis beim tiefkalten, flüssigen LNG aus (Tabelle 2). Bei Traktoren war LNG bisher kaum ein Thema, weil sich die üblichen zylinderförmigen, vakuum-isolierten Tanks schlecht in den knappen Bauraum integrieren lassen und weil aufgrund von längeren Standzeiten größere Mengen an Boil-off-Gas entstehen können. New Holland präsentiert mit dem T7.270 Methane Power LNG jetzt einen Gastraktor mit LNG-Tanks (siehe Titelbild), bei welchem sich diese Probleme umgehen lassen sollen. Dank einer speziellen Doppelwand-Technologie müssen die vakuum-isolierten LNG-Tanks nicht mehr zwingend eine zylindrische Form aufweisen und können so besser an traktortypische Platzverhältnisse angepasst werden - ähnlich wie Dieseltanks. Beim T7.270 LNG können damit 200 kg Methan mitgeführt werden. Der Boil-off-Gas-Problematik tritt New Holland mit einem „Cryo-Cooler“ entgegen, der das Methan ständig unter minus 162°C und somit in flüssigem Zustand hält.

Damit könnten LNG-Gasmotorenkonzepte jetzt auch in der Landwirtschaft zu einer Antriebsoption werden, verbunden mit der Chance, eigenes Biogas (Bio-LNG) als Fahrzeugtreibstoff in CO2-neutralen Kreisläufen zu verwenden. Zu berücksichtigen ist hier allerdings, dass das Roh-Biogas aufbereitet (u.a. Abscheiden von CO2), verflüssigt und gelagert werden muss. Die erforderliche Technik ist aber vorhanden und es gibt bereits mobile Lösungen, die auch eine überbetriebliche Nutzung ermöglichen. New Holland wird neben dem T7.270 Methane Power LNG auf der Agritechnica 2023 auch ein weiteres, größeres Traktormodell mit CNG-Behältern präsentieren. Es handelt sich ebenfalls um einen T7.270, bei welchem das Gesamtvolumen der integrierten Behälter gegenüber dem T6.180 Methane Power um den Faktor 4 vergrößert werden konnte, Bild 5.

„Wasser ist die Kohle der Zukunft“, soll der Franzose Jules Verne 1874 im Zusammenhang mit dem bereits damals bekannt gewordenen Brennstoffzellenprinzip gesagt haben. Eine Nutzung von Wasserstoff für Fahrzeugantriebe ist aber nicht nur durch Umwandlung zu Strom in einer Brennstoffzelle möglich, sondern auch durch motorische Verbrennung. In der Lkw-Branche wird diese Möglichkeit derzeit ebenfalls in Betracht gezogen, weil der kohlenstofffreie Wasserstoff damit schnell breite Verwendung finden könnte – noch vor einer Marktdurchdringung der Brennstoffzelle. Der holländische Hersteller DAF beispielsweise sieht die Kombination von leichten/mittelschweren Lastwagen mit Batterieelektrik und schweren Lastwagen mit H2-Verbrennungsmotoren zum jetzigen Zeitpunkt als wirtschaftlichste und praktikabelste Lösung an, um kurz- und mittelfristige CO₂-Reduktionen erzielen zu können. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass der Wasserstoff aus grünen Quellen stammt. Auf den Fahrzeugen mitgeführt werden kann dieser – wie Methan – gasförmig in Druckbehältern oder flüssig in isolierten Tanks. Die Motortechnologien für Wasserstoff und Methan sind sich ebenfalls ähnlich (Otto-Verfahren oder High Pressure Direct Injection HPDI).

Mittlerweile arbeiten auch Hersteller von Nonroad-Antriebstechnik an H₂-Verbrennungsmotoren (u.a. Cummins, Deutz, FPT, JCB und Liebherr). Cummins kündigte Anfang 2022 mit dem 6-Zylinder-Aggregat „Fuel-Agnostic X15“ (14,9 l Hubraum) als erster Hersteller eine Motorenplattform für mehrere Kraftstoffe an (Methan, Wasserstoff und Diesel/HVO). Basis ist ein einheitlicher Grundmotor, der sich mit entsprechenden Zylinderkopfmodulen kombinieren lässt (Bild 7). Was hier aber bleibt, ist die große Herausforderung, genügend Behälter-/Tankkapazität für den – auf das Volumen bezogen – wenig energiedichten Wasserstoff auf den Fahrzeugen installieren zu können. Das gilt für Lkw und erst recht für Landmaschinen.

In weniger als einer Stunde von 10 auf 80 Prozent aufgeladen

Der Farmall Utility 75C Electric ist mit einer 110-kWh-Batterie ausgestattet, die bei schweren Einsätzen eine Betriebszeit von etwa vier Stunden und bei normalen bis leichten Einsätzen von sechs bis acht Stunden ermöglicht. Mit der DC- Schnellladefunktion kann man den Traktor in weniger als einer Stunde von 10 auf 80 Prozent aufladen. Der vollelektrische Antriebsstrang hat eine Leistung von 74 PS, 65 PS an der Zapfwelle, eine Höchstgeschwindigkeit von 40 km/h und ein maximales Drehmoment von 320 Nm. Der Traktor soll weitestgehend gleich wie seine Diesel-Pendants funktionieren.

www.caseih.com

Halle 3, Stand A48