Lösungen für die Herausforderungen der Elektrifizierung mobiler Baumaschinen

Die Hersteller auf dem 200 Milliarden Dollar schweren Baumaschinenmarkt stehen vor einer komplexen Herausforderung. Sie müssen ihre Abhängigkeit von Dieselkraftstoff, dem Lebenselixier ihrer mobilen Maschinen, deutlich verringern und auf emissionsärmere Technologien umsteigen. Gleichzeitig müssen sie weiterhin die Leistung erbringen, die ihre Kunden erwarten, und gleichzeitig sicherstellen, dass die Gesamtbetriebskosten (TCO) die Einführung dieser saubereren Maschinen rentabel machen. Die Elektrifizierung wird zweifellos eine wichtige Rolle spielen, wenn es darum geht, dass Baufirmen ihre Umweltziele erreichen, und der neue IDTechEx-Bericht "Elektrofahrzeuge im Bauwesen 2022-2042" bietet eine umfassende Bewertung der aktuellen Fortschritte in diesem aufstrebenden Sektor mit detaillierten Fallstudien und Hintergrundinformationen zu den wichtigsten Technologien.

 

Um die gleichen Aufgaben wie vergleichbare Dieselmaschinen zu bewältigen, müssen die Antriebsstrangelemente in elektrischen Baufahrzeugen so dimensioniert sein, dass sie die gleiche Leistung erbringen. Dies setzt voraus, dass die Motor- und Batteriespezifikationen richtig dimensioniert sind. Der Schlüssel für den Einsatz von Elektromaschinen ist daher das Verständnis ihres typischen täglichen Leistungs- und Energiebedarfs im Arbeitszyklus. Da in der Bauindustrie eine Vielzahl unterschiedlicher mobiler Geländefahrzeuge zum Einsatz kommt, variiert der maximale Motorleistungsbedarf je nach Anwendung und Größe der Maschine stark. Ebenso hängt der tägliche Gesamtenergiebedarf vom Einsatzfall der Maschine ab, wobei einige Arbeitszyklen nur sporadischen Betrieb während des Tages erfordern, während andere Maschinen fast ununterbrochen laufen. Zur Optimierung von Leistung und Kosten elektrischer Maschinen sind modulare Systeme erforderlich.

 

Die meisten Hersteller, vor allem in den USA und Europa, haben sich bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen zunächst auf kompakte Baumaschinen konzentriert, deren geringe Größe und relativ geringe Anforderungen an den Arbeitszyklus bedeuten, dass ein typischer 8-Stunden-Arbeitstag mit einer praktischen Größe von Lithium-Ionen-Batterie (<50 kWh) und Elektromotor (<20 kW) bewältigt werden kann. Es werden mehrere Möglichkeiten für das Aufladen dieser Maschinen untersucht, darunter große Batterielösungen, die einen ganzen Arbeitstag ohne Nachladen ermöglichen, kleinere Batterien mit der Möglichkeit des Schnellladens während des Arbeitstages, kabelgebundener Betrieb und Batteriewechsel. Bei der Wahl der optimalen Batteriegröße für jede Maschine müssen Faktoren wie die hohen Kosten von Off-Road-Batteriepaketen, die Auswirkungen des Schnellladens auf die Batterielebensdauer, die Verfügbarkeit einer konstanten Stromversorgung und die Kosten für die Installation der Ladeinfrastruktur auf den Baustellen berücksichtigt werden.

 

Während kleine Maschinen der natürliche Ausgangspunkt für die Elektrifizierung in diesem Markt sind, sind es die schwereren Baumaschinen, die am meisten zu den CO2-Emissionen des Sektors beitragen. Es ist wichtig, dass die OEMs auch für diese größeren Fahrzeuge emissionsfreie Lösungen anbieten. Das Problem liegt darin, dass Maschinen wie große Bagger mehr als 75 kWh Energie pro Betriebsstunde verbrauchen können. Das bedeutet, dass eine riesige Batterie installiert werden muss, wenn eine kontinuierliche 8-Stunden-Schicht erforderlich ist. Bei den derzeitigen Preisen für Li-Ionen-Batteriepacks für schwere Geländefahrzeuge in der Größenordnung von 600 Dollar und mehr pro kWh sind diese riesigen Batterien mit Kosten verbunden, die die TCO-Wirtschaftlichkeit stark beeinträchtigen.

 

Die Ladestrategie für größere Maschinen wird der Schlüssel sein, um den Bedarf an installierter Batteriekapazität zu reduzieren. Viele chinesische Erstausrüster haben sich beispielsweise für eine Schnelllademethode mit zwei Gleichstromkanälen entschieden, mit der in einer Mittagspause 300 kWh aufgeladen werden können, während das niederländische Cleantech-Unternehmen Urban Mobility Systems ein Batteriewechselsystem entwickelt hat, das drei 130-kWh-Batteriemodule verwendet. Das UMS-System wurde in großen Baggern von Doosan und Hyundai getestet.

 

Die Verbesserung der Effizienz des Antriebsstrangs wird ebenfalls entscheidend sein. Fast alle aktuellen Elektro-Baumaschinen haben den Dieselmotor durch Batterien und Elektromotoren ersetzt, verwenden aber immer noch ein Standard-Hydrauliksystem, das einen Wirkungsgrad von bis zu 30 % hat. Um dieses Problem zu lösen, entwickeln Unternehmen wie Danfoss eine digitale Hydrauliktechnologie, die die Effizienz des Antriebsstrangs verbessert und den Energieverbrauch senkt, so dass eine kleinere Batterie für die gleiche Tagesleistung eingesetzt werden kann.

 

Das Endziel für elektrische Baumaschinen sind vollelektrische Systeme, die die Hydraulik vollständig ersetzen und stattdessen elektrische Aktuatoren und Antriebsmotoren verwenden. Doosan Bobcat hat auf der CES 2022 mit dem T7X einen vollelektrischen Raupenlader vorgestellt. Die gemeinsam mit Viridi Parente und Moog entwickelte Effizienzverbesserung des vollelektrischen Systems ermöglicht die Verwendung einer 62-kWh-Batterie, während bei einem hydraulischen Fahrzeug eine Batterie mit einer Kapazität von mehr als 300 kWh erforderlich gewesen wäre, um die gleiche Ausdauer zu erreichen. In den nächsten zehn Jahren sind weitere Entwicklungsarbeiten erforderlich, damit vollelektrische Systeme in größerem Umfang eingesetzt werden können. Elektrische Antriebe sind derzeit teuer und können die Anforderungen größerer Baumaschinen noch nicht erfüllen.

 

Innovationen sind erforderlich, um die Elektrifizierung in diesem anspruchsvollen Sektor voranzutreiben, und vorausschauende Unternehmen setzen bereits Anstrengungen und Ressourcen ein, um diese Herausforderungen zu meistern. IDTechEx prognostiziert, dass der elektrische Anteil am Markt für Baufahrzeuge bis 2042 einen Wert von mehr als 100 Milliarden US-Dollar pro Jahr haben wird.

 

Um mehr darüber zu erfahren, analysiert der neue IDTechEx-Bericht "Elektrofahrzeuge im Bauwesen 2022-2042" die laufenden Elektrifizierungsarbeiten für eine Reihe von Baumaschinentypen, darunter Bagger, Radlader, Kräne und Teleskoplader. Der Bericht enthält die unabhängige 20-Jahres-Prognose von IDTechEx für den Markt für elektrische Baufahrzeuge mit Prognosen für den Absatz, den Batteriebedarf und den Marktumsatz nach Maschinentyp sowie separate regionale Prognosen für Europa, China und die USA.

 

Weitere Informationen zu diesem Bericht finden Sie unter "www.IDTechEx.com/EVConstruction". Der Bericht Electric Vehicles in Construction ist Teil des breiteren Mobilitätsforschungsportfolios von IDTechEx, das die Einführung von Elektrofahrzeugen, Batterietrends, Autonomie und Nachfrage zu Lande, zu Wasser und in der Luft verfolgt. Weitere Informationen finden Sie unter www.IDTechEx.com/Mobility.