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Antrieb :

Leise und effizient: Landtechnik wird elektrisch

Die Elektromobilität kommt auch bei Landmaschinen voran. Wir stellen Konzepte und Einsatzmöglichkeiten vor.

Antrieb: Leise und effizient: Landtechnik wird elektrisch

Der TruckLine 4.0 Compact 8 ist ein elektrischer, selbstfahrender Futtermischwagen ohne Entnahmesystem.

Kilowattstunde statt Liter, Akku statt Tank, Solaranlage statt Zapfsäule: Strom als Antrieb wird immer beliebter. Seit zehn Jahren hat die Technik die Gartengerätetechnik revolutioniert. Auch fahren immer mehr Elektroautos auf der Straße. Die einsetzende Massenproduktion macht Batterien kleiner, leistungsstärker und günstiger: Bei jeder Verdopplung der weltweiten Produktionsmenge sinken die Preise um sechs bis neun Prozent, zeigt die bisherige Lernkurve. Auch in der Land- und Kommunaltechnik gibt es daher mehr Ideen für den elektrischen Antrieb.

Vieles spricht für den Elektroantrieb

Die Gründe sind vielfältig:

■ Die Abgasgesetzgebung macht den Dieselantrieb schwieriger. Abgasnachbehandlungssysteme kosten nicht nur Geld, sondern auch Bauraum und verschlechtern dem Fahrer unter Umständen die Sicht. Zudem muss er mit Adblue (Harnstoff) einen weiteren Betriebsstoff tanken und mitführen.

■ Die Emissionen von Stickoxiden sorgen dafür, dass Fahrzeuge mit Dieselantrieb zum Teil nicht mehr in Innenstädten fahren dürfen. Das stellt Kommunen und Dienstleister vor neue Herausforderungen.

■ Landwirte produzieren auf Stall- und Scheunendächern häufig Solarstrom. Den Strom aus neueren Anlagen wollen sie möglichst im Betrieb nutzen, da sie ihn für nur ca. 12 ct/kWh und weniger ins Netz einspeisen können, während sie Strom für über 20 ct/kWh kaufen müssen. Doch nicht immer gibt es auf dem Betrieb ausreichend Maschinen und Geräte, die tagsüber und bei hoher Sonneneinstrahlung betrieben werden können. In diesen Zeiten wäre es praktisch, wenn Elektrofahrzeuge flexibel laden und damit den Eigenverbrauchsanteil des Solarstroms erhöhen könnten.

■ Dieses Phänomen wird sprunghaft ansteigen, wenn die ersten landwirtschaftlichen Betriebe ab dem Jahr 2020 nach 20-jähriger Laufzeit keine Vergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) mehr bekommen und den Strom eigenständig vermarkten oder selbst verbrauchen müssen.

■ Dazu kommt der Klimaschutzplan der Bundesregierung, nach dem die Landwirtschaft 30 Prozent der Treibhausgasemissionen gegenüber 1990 einsparen soll. Der Umstieg von Diesel auf Biokraftstoffe oder Elektroantrieb auf Basis von Strom aus erneuerbaren Energien kann dazu beitragen.

Treibstoffkosten sinken deutlich

„Der Elektroantrieb hat auch eine höhere Effizienz. Es sind Wirkungsgrade von 90 Prozent und mehr möglich“, nennt Prof. Peter Pickel, stellvertretender Direktor des John Deere-Entwicklungszentrums in Kaiserslautern, ein weiteres Argument.

Verbrennungsmotoren setzen dagegen rund 60 Prozent der eingesetzten Energie vor allem in Wärme um. Weiter sprechen für den Elektroantrieb die geringeren Wartungs- und Instandhaltungskosten sowie günstigere Betriebskosten. „Viele Anwender von Land- und Baumaschinen berichten, dass sich die Treibstoffkosten beim Elektroantrieb gegenüber dem Verbrennungsmotor in etwa halbieren“, erklärt Prof. Alfred Ulrich vom Institut für Bau- und Landmaschinentechnik an der TH Köln, der bereits vor 25 Jahren an der Elektrifizierung von Baumaschinen geforscht hat.

Aber für den Umstieg ist nicht einfach der Austausch von Dieseltank gegen Akku möglich. Im Laufe der Jahre sind die Elektromotoren zwar deutlich kleiner geworden und die Energiedichte hat bei den Lithium-Ionen-Batterien stark zugenommen. „Daher ist es jetzt möglich, die Akkus auf dem Traktor zu verbauen“, erklärt Wolfgang Breu, Projektleiter für die Elektrifizierung im Bereich Vorentwicklung bei Fendt.

Gerade innerhalb von Gebäuden spielen Elektro-Hoftracs ihre Stärke aus – wie z.B. der 23e von Schäffer.

Gerade innerhalb von Gebäuden spielen Elektro-Hoftracs ihre Stärke aus – wie z.B. der 23e von Schäffer.

John Deere hatte auf der SIMA 2017 den elektrischen „SESAM-Traktor“ vorgestellt.

John Deere hatte auf der SIMA 2017 den elektrischen „SESAM-Traktor“ vorgestellt.

Nicht bei jeder Maschine sinnvoll

Dennoch nehmen Batterien heute immer noch pro kW Antriebsleistung ein größeres Volumen ein als die vergleichbare Menge Diesel oder Hydraulikkomponenten. Daher müssen die Hersteller den Bauraum geschickt nutzen.

„Begrenzend sind bei den Batterien außerdem die Reichweite und die Systemkosten“, sagt Breu. Er nennt ein Beispiel: ein Traktor mit 50 kW und vier Stunden Betrieb am Tag in Teillast benötigt eine Batterie mit 100 kWh Energieinhalt. Sie würde rund 600 kg wiegen und 300 l Volumen einnehmen. Bei einem 500 PS-Schlepper (380 kW) hätte sie dagegen ein Volumen von 5 m³ und 15 t Gewicht. „Darum haben wir uns entschieden, erst einmal einen Kleintraktor zu elektrifizieren“, so Breu. Dieser soll nicht nur in der Landwirtschaft, sondern auch in Kommunen zum Einsatz kommen – mit Kehrbesen, Mähwerk usw.. Bei der Entwicklung hat Fendt viele Bauteile von existierenden Traktoren übernommen, um Fahrzeugkosten einzusparen.

Der Traktor hat eine Leistung von 50 kW elektrisch. Zur Ausstattung gehört das Stufenlosgetriebe sowie vier Hydraulikventile am Schlepperheck. Die Akkus haben exakt 100 kWh Kapazität und 320 l Volumen, wiegen 590 kg und liefern 650 Volt. Laden lassen sie sich an der Steckdose, was aber sehr lange Ladezeiten bedeutet. Schneller geht es via Drehstromanschluss (400 Volt, 22 kW Ladeleistung): Hiermit ist die Batterie in fünf Stunden wieder voll. Unter einer Stunde ist die Schnellladung mit Gleichstrom (DC) möglich. „Aber das sollte man nicht zu oft machen, weil darunter die Batterie leiden kann“, sagt Breu. Er geht aber davon aus, dass sich im Bereich Ladetechnik in den nächsten zwei bis vier Jahren eine ganze Menge tun wird – allein wegen der Entwicklungen im Automobilsektor.

John Deere hatte bereits im Jahr 2007 die E-Premiumtraktoren 7430 und 7530 mit stufenlosem IVT-Getriebe vorgestellt. Eine integrierte E-Maschine mit 20 kW lieferte damals Leistung und Energie für Nebenaggregate wie Klimaanlage, Bremskompressor usw. „Es war für uns auch der Einstieg in die Traktorgeräte-Elektrifizierung“, beschreibt Pickel.

Auf der Sima 2017 stellte John Deere dann den ersten voll batteriegetriebenen Traktor, den sogenannten „SESAM Traktor“, vor. SESAM steht für Sustainable Energy Supply for Agricultural Machines. Der Prototyp arbeitet mit zwei elektrischen Maschinen á 130 kW und basiert auf dem Chassis eines Traktors aus der Mannheimer 6R-Serie. Einer der beiden wartungsfreien Elektromotoren treibt das serienmäßige DirectDrive Getriebe an, der andere die Zapfwelle und die Nebenaggregate (insbesondere das Hydrauliksystem). Das System ist konzeptionell so ausgelegt, dass bei Bedarf beide Motoren zusammengeschaltet werden und dann die volle Leistung zum Fahren liefern könnten. Für den Einsatz ist der gesamte Geschwindigkeitsbereich von 3 bis 50 km/h verfügbar. Derzeit reicht eine Batterieladung für ca. vier Betriebsstunden bei herkömmlichen Einsätzen im Teillastbereich, bzw. 55 km bei Straßenfahrten. Die Ladezeit ist abhängig von der verfügbaren Ladeinfrastruktur und beträgt bei einer verfügbaren Ladeleistung von 40 kW etwas mehr als drei Stunden.

Elektromaschinen wie der eHoftrac von Weidemann lassen sich gerade für Arbeiten auf dem Hof effizient einsetzen, weil sie jederzeit für eine Zwischenladung an eine Stromquelle angeschlossen werden können.

Elektromaschinen wie der eHoftrac von Weidemann lassen sich gerade für Arbeiten auf dem Hof effizient einsetzen, weil sie jederzeit für eine Zwischenladung an eine Stromquelle angeschlossen werden können.

Neue Batteriekonzepte

Heute ist die Batterie noch der größte Kostenblock beim Elektroantrieb. Er hält es für möglich, dass in den nächsten vier bis fünf Jahren die Preise bei 250 Euro/kWh Ladekapazität liegen. Heute liegen die Kosten professioneller Batteriesysteme für mobile Arbeitsmaschinen bei bis zu 1.000 Euro/kWh.

Die Industrie denkt zudem schon weiter: John Deere hat u.a. eine Batterie entwickelt, die sich mit einem Gewicht von 1,2 t als Fronttank nutzen lässt. „Sie lässt sich auch abstellen und als stationärer Speicher neben einer Photovoltaikanlage nutzen“, erklärt Pickel.

Zudem gibt es Überlegungen, eine Batterie für verschiedene Fahrzeuge kompatibel zu machen – wie z.B. bei den eingangs beschriebenen Motorgeräten. „Wir werden in Zukunft Konzepte mit einer Motoreinheit für mehrere Arbeitsgeräte sehen“, erwartet Prof. Ulrich.

Wegen der begrenzten Reichweite ist die Elektrifizierung vor allem für Maschinen interessant, die auf dem Hof oder im Stall arbeiten – wie z.B. Futtermischwagen. Siloking hat hierzu eine elektrische Version im Programm. Auf der EuroTier 2016 hatte der bayerische Fütterungsspezialist mit dem TruckLine e.0 eTruck 8 den ersten vollständig elektrisch angetriebenen, selbstfahrenden Futtermischwagen mit einem Behältervolumen von 8 m³ zur Fremdbeladung vorgestellt. Die Baureihe hat Siloking mittlerweile um zwei Modelle mit 10 m³ und einer Schnecke sowie mit 14 m³ und zwei Schnecken erweitert. Der eTruck dient zum Mischen, Transportieren und Ausdosieren von Futter.

Der Fahr- und Mischantrieb wird durch einen Akku vollständig elektrisch angetrieben. Es sind Blei-Säure Batterien verbaut. Bei den Modellen mit 8 und 10 m³ haben sie in der Standardversion 465 Ah bzw. 620 Ah beim Heavy-Duty-Paket. Das Modell mit 14 m³ wird von einem Akku mit 620 Ah (775 Ah bei Heavy-Duty-Paket) angetrieben.

Zum Auflösen von Rundballen, der anschließenden Mischung und das Entleeren sorgt ein Elektromotor mit 15 kW Leistung. Der Fahrantrieb ist in die Vorderachse integriert und mit einem 18 kW starken Motor ausgestattet, so dass auch Steigungen gemeistert werden können. Dank der stufenlosen Steuerung ist eine Fahrgeschwindigkeit bis zu 20 km/h möglich.

Eine Akkuladung reicht laut Siloking für drei Mischungen für bis zu 100 Milchkühe plus Nachzucht. Für höhere Ansprüche gibt es optional eine Heavy-Duty-Batterie für bis zu fünf Mischzyklen am Tag. „Mit dem vollelektrisch angetriebenen Futtermischwagen wollen wir den Landwirten Vorteile bieten wie z.B. sinkende Betriebs- und Wartungskosten“, sagt Siloking-Geschäftsführer Georg Mayer. Besonders interessant sei die Anschaffung der TruckLine für Betriebe mit bestehender Beladetechnik, wie z. B. Biogasanlagenbetreiber, die Bullen oder Milchkühe halten.

Hoflader fahren auch elektrisch

Seit April 2015 wird der elektrisch angetriebene „1160 eHoftrac“ von Weidemann in Serie produziert. Im vergangenen Jahr hat der Hersteller den Lader weiterentwickelt: Mittlerweile wird im eHoftrac eine AGM-Batterie der Firma Hoppecke verbaut. AGM steht für „Absorbent Glass Mat“: Bei dieser Art von Batterie wird der Elektrolyt in einem Vlies aus Glasfaser gebunden. Das System gilt dank eines geschlossenen Batterietrogs als auslaufsicher. Die Batterie sei weniger temperaturempfindlich und entwickle weniger Wärme bei der Ladung und im Betrieb, verspricht der Hersteller. Aufgrund des geringeren Belüftungsbedarfes entstehe mehr Sicherheit beim Ladevorgang. Zudem müsse kein destilliertes Wasser nachgefüllt werden.

Weidemann stellt nach wie vor zwei verschiedene Leistungsstufen zur Verfügung. Die Standardbatterie hat 48 V und bringt 240 Ah, die optional leistungsstärkere Batterie bringt es bei 48 V auf 310 Ah. Die neue AGM-Batterie soll zudem zu einem höheren Wirkungsgrad und einer besseren Leistungsabgabe bei gleicher Kapazität führen. Auch besitzt sie ein integriertes „Onboard“-Ladegerät, so dass keine feststehende Ladestation in den Betrieben vor Ort mehr benötigt wird. Das Aufladen sei problemlos an jeder 230 Volt Steckdose mit 16 Ampere Dauerstrombelastung möglich. Dank der AGM-Technologie sind Zwischenladungen jederzeit möglich. Das Batteriesystem lässt sich bei bereits im Kundeneinsatz laufenden Maschinen nachrüsten.

Der Laderspezialist Schäffer hat auf der Agritechnica 2017 den ersten Hoflader mit Lithium-Ionen-Technik vorgestellt. Zwei Elektromotoren mit Hochvolttechnologie sind für die Arbeits- und Fahrhydraulik verantwortlich. Der Fahrantrieb hat 11 kW, die Arbeitshydraulik 9,7 kW. Der Kunde hat die Wahl zwischen zwei Batteriepaketen: Das Standard-Batteriesystem mit 6,7 kWh Akkukapazität reicht laut Schäffer für die meisten Hofarbeiten aus. Beim Power-Batteriesystem, das sich jederzeit nachrüsten lässt, verdoppelt sich die Betriebszeit des Laders auf mehrere Stunden. Es hat eine Akkukapazität von 13,4 kWh.

Schäffer bietet serienmäßig ein On-Board Ladegerät an, das mit einem standardmäßigen 230 V-Stromanschluss betrieben wird. Schneller geht das Aufladen mit einem externen Ladegerät mit 400 V-Eingangsspannung. Hierbei wird das große Power-Batteriesystem in nur 30 Minuten geladen. Der Akku kann laut Hersteller jederzeit geladen werden, ohne dass es die Lebenszeit beeinflusst.

Schäffer garantiert eine Laufzeit von 5.000 Ladevorgängen oder fünf Jahren Einsatz. „An dieser Stelle kommen die Vorteile des Lithium-Ionen-Akkus ganz besonders zur Geltung“, ist Friedhelm Brede, Entwicklungsleiter bei Schäffer, überzeugt. „Dank der Technologie können wir diese lange Batterie-Einsatzzeit garantieren. Hinzu kommt, dass die Lithium-Ionen-Akkus absolut wartungsfrei sind, keine Gefahren von Blei oder Schwefelsäure ausgehen und der 23e auch bei niedrigen Temperaturen seine Arbeit zuverlässig verrichtet“, erklärt Brede.

Lithium Ionen Akkus kosten zwischen 30 und 50 Prozent mehr als konventionelle. Sie bieten aber eine höhere Entladetiefe, Zyklenzahl, können also länger genutzt werden.

Der Elektrolader erreicht eine Geschwindigkeit von 20 km/h. Serienmäßig sind wie bei den anderen Ladern der 23er-Serie von Schäffer das wartungsfreie Knick-Pendelgelenk oder die Schäffer-Achsen.

Der e100 von Fendt hat eine Leistung von 50 kW.

Der e100 von Fendt hat eine Leistung von 50 kW.

Mehr Präzision bei Anbaugeräten

Aber für die Landmaschinenhersteller hat die Elektromobilität weitere Vorteile: „Damit ist eine exzellente Steuer- und Regelbarkeit möglich, nicht nur im Traktor, sondern vor allem bei den Anbaugeräten“, sagt Prof. Pickel. Als Beispiel führt er das Einzelkornsaatsystem ExactEmerge von John Deere an. Bei diesem sorgen zwei elektrische Servomotoren je Säeinheit (also insgesamt 16 bei dem achtreihigen Gerät) dafür, die Saatkörner entgegen der Fahrtrichtung des Traktors zu beschleunigen und so im Boden abzulegen, dass sie nicht wegrollen. Die Maschine kann laut John Deere fast 20 km/h schnell fahren und das Saatgut trotzdem sehr präzise ablegen. „Außerdem ist es künftig möglich, den genauen Standort der Nutzpflanzen im System zu speichern. Damit lassen sich bei der automatischen Unkrautbekämpfung die Pflanzen neben den Saatreihen automatisch als Beikräuter identifizieren“, nennt er den nächsten Entwicklungsschritt.

„Elektroantriebe können bei Störungen auch schneller die Drehzahl reduzieren und so teure Schäden an den Maschinen vermeiden“, ergänzt Fendt-Projektleiter Breu. Als Beispiel nennt er einen Mulcher, der auf einen Stein trifft. Oder einen Ballenwickler, bei dem bei Druckspitzen die Folie reißen kann. „Ein Elektroantrieb regelt dagegen rechtzeitig die Drehzahl herunter“ erklärt er.

Es gibt aber auch noch Herausforderungen, z.B. bezüglich Wartung. Niedervoltanwendungen mit 12 bis 60 Volt reichen nur für einfache Steuer- und Regelvorgänge aus. Oberhalb von 60 Volt dagegen ist bei der Wartung eine Fachkraft nötig. Seit 2012 arbeiten viele Landmaschinenhersteller innerhalb der AEF (Agricultural Elctronics Foundation) an einer gemeinsamen Branchenlösung und haben verschieden Richtlinien (Steckdose, Sicherheit, Systemarchitektur) zum Hochvoltsystem erarbeitet. Derzeit werden die ersten Richtlinien in eine Normierung übergeführt. Auch hier arbeitet die Branche eng zusammen.

Fazit

Vollständig batteriebetriebene Landmaschinen sind im Kommen. Wegen der geringeren Reichweite der Batterien sind sie im Moment noch bei Maschinen sinnvoll, die nicht den ganzen Tag arbeiten müssen wie Ackerschlepper, sondern eher kleinere und mittelgroße Maschinen wie Hofschlepper und -lader bzw. kommunale Fahrzeuge oder im Geländeeinsatz.

Elektrisch auf der Baustelle

Zusammen mit Industriepartnern haben die Berner Fachhochschule BFH, die NTB Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs und die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) einen Lkw mit Elektroantrieb entwickelt.

Der eDumper bei der Arbeit im Steinbruch.

Der eDumper bei der Arbeit im Steinbruch.

Das größte Elektroauto der Welt mit 58 Tonnen Leergewicht und 65 Tonnen Zuladung arbeitet im Steinbruch der Vigier Ciment in Péry im Berner Jura.

Bei dem Fahrzeug gibt es laut Hersteller mehrere Rekorde: Der eDumper sei das größte und stärkste batteriebetriebene Elektro-Radfahrzeug der Welt. Dazu wurde ihm die grösste je für ein Elektrofahrzeug hergestellte Batterie eingebaut, die mit 4,5 Tonnen so schwer wie zwei komplette PKW ist. Noch nie hat zudem ein vergleichbares Fahrzeug eine derart große Menge an CO2 einsparen können. Der eDumper wird über die nächsten zehn Jahre jährlich über 300.000 Tonnen Material transportieren und dabei nach vorläufigen Berechnungen bis zu 1.300 Tonnen CO2 und 500.000 Liter Diesel einsparen.

Der eDumper wird Kalk- und Mergelgesteine aus einem höher gelegenen Abbaugebiet in eine tiefer gelegene Verarbeitungsanlage transportieren. Bei der voll beladenen Talfahrt werden die Batterien mittels Rekuperation der Bremsenergie aufgeladen. Der so erzeugte Strom reicht nach vorläufigen Berechnungen für die unbeladene Rückfahrt bergauf ins Abbaugebiet weitgehend aus. Er wäre damit ein Null-Energie-Fahrzeug. Wie die Energiebilanz des eDumpers genau ausfällt, sollen Untersuchungen im Alltagsbetrieb während der nächsten Monate zeigen.

Der umweltfreundliche eDumper wurde auf Basis eines Diesel-betriebenen Muldenkippers des Typs Komatsu HD 605-7 komplett neu aufgebaut. Der 600 kWh große Stromspeicher, bestehend aus vier Blöcken, findet seinen Platz im Motorenraum und anstelle des Dieseltankes.


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