„Alternativ angetriebener, energieeffizienter Diesel-Elektrischer Hybrid-Straßenfertiger (DEHS)“

Problembeschreibung

Nach heutigem Stand der Technik sind fast alle mobilen Straßenbaumaschinen und speziell Straßenfertiger vollständig diesel-hydraulisch angetriebene Maschinen. Dieses Antriebskonzept besteht seit vielen Jahrzehnten und wird unabhängig von Größe, Hersteller und Einsatzzweck standardmäßig eingesetzt. Ein Dieselmotor treibt in der Regel über ein Pumpenverteilergetriebe die Hydraulikpumpen für die hydraulisch angetriebenen verschiedenen Einzelfunktionen an. Dazu ge-hören beim Straßenfertiger unter anderem der Fahrantrieb (rechts und links), die Materialförderung (Kratzkettenförderer und mindestens zwei Verteilerschnecken), die Verdichtungsantriebe (Stampfer- und Vibrationsantriebe), die Nivellier- und Verstellzylinder und optional ein elektrischer Generator (ca. 20 kW bis 65 kW) für die Bohlenheizung. Die Anzahl und Konfiguration der Pumpen und Aggregate ist Typen und Herstellerspezifisch unterschiedlich, aber im Allgemeinen ähnlich aufgebaut, Bild 1.

Die hydraulischen Komponenten sind auf die maximal auftretende Leistung der jeweiligen Funktion ausgelegt, was dazu führt, dass diese oft überdimensioniert sind und gerade im Teillastbetrieb mit einem nicht optimalen Wirkungsgrad arbeiten. Dies und der grundsätzlich schlechte Gesamtwirkungsgrad des hydraulischen Antriebskonzeptes führen zu einem sehr hohen Verbrauch von Primärenergie bzw. Dieselkraftstoff. Auch im Nulllastbetrieb, wie bei den häufig auftretenden, prozessbedingten Einbaustopps von Straßenfertigern, hat das hydraulische Antriebssystem bereits einen beträchtlichen Energieverbrauch.

Bild 2: Elektrifizierter, serieller Hybrid-Antriebsstrang

Technische Ziele des Projektes

Das übergeordnete Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung und der Aufbau einer diesel-elektrisch angetriebenen mobilen Straßenbaumaschine mit Hybridfunktionen als Alternative zu den gängigen hydraulischen Antriebskonzepten. Dazu soll ein serieller Voll-Hybrid-Straßenfertiger, mit der Möglichkeit die Primärenergie alternativ zum Dieselmotor auch extern aus der „Steckdose“ zu beziehen, als Demonstrator entwickelt werden. Das grundsätzliche Konzept sieht vor, dass der Dieselmotor einen Generator antreibt, dieser elektrische Energie über eine Frequenzumrichtereinheit in ein Hochvoltgleichspannungsbordnetz speist und damit die elektrischen Einzelantriebe angetrieben werden und/oder die Batterie geladen wird. Die Vorteile dieser Technologie sind vor allem eine erhebliche Effizienzsteigerung in Kombination mit einer Reduzierung der Schadstoff- und Lärmemissionen. Die Umweltbelastungen und die Belastungen des Bedienpersonals sollen dadurch erheblich gesenkt werden. Des Weiteren sind elektrische Antriebe praktisch wartungs- und verschleißfrei und können neben der Einsparung von Dieselkraftstoff und Hydrauliköl zusätzlich die Betriebskosten senken.
Im Projekt DEHS soll am Beispiel eines Straßenfertigers die Realisierbarkeit und der Nutzen eines dieselelektrischen Hybrid-Antriebes bei Straßenbaumaschinen aufgezeigt und bewiesen werden. Das komplette Antriebsstrangsystem eines Demonstrator-Fertigers wird zu diesem Zweck elektrifiziert und mit einer Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterie erweitert.
Diese ermöglicht es, typische Hybridfunktionen wie zum Beispiel Start/Stopp-Funktionen für alle Aggregate, elektrisches Boosten in Kombination mit Motordownsizing und Lastpunktverschiebung zu implementieren. Mit einer Schnittstelle zur externen Stromversorgung kann bei einem elektrifizierten Straßenfertiger über längere Einbauintervalle ein rein elektrisches, emissionsloses Fahren z.B. im Tunnel- oder Hallenbau realisiert werden und erweitert mit dieser Option das Einsatzspektrum für den Fertiger.

Durch den Einsatz von Elektromotoren für die einzelnen Funktionsantriebe können die auftretenden Leistungsspitzen durch die Boost-Funktion, sprich kurzzeitige Überlastung, abgedeckt werden. Dies kann beispielsweise beim Anfahren an einer Steigung oder auch beim Zuschalten der Förderschnecke bei erkaltetem Material genutzt werden. Im Teillast- und Dauerbetrieb haben Elektromotoren über ein breites Drehzahl- und Drehmomentfeld einen günstigen Wirkungsgrad, gerade im Vergleich zu hydraulischen
Antrieben und auch in Kombination mit der zugehörigen Leistungselektronik sind elektrische Antriebe erheblich effizienter. Die Leistung der Elektromotoren, das Anlaufverhalten, die Drehzahl und die Drehzahlwelligkeit kann dem jeweiligen Arbeitsprozess bzw. dem jeweiligen Funktionsantrieb optimal angepasst werden. Es lässt sich in Verbindung mit der Arbeitseinheit ein großer funktionaler Vorteil generieren, der das letztendliche Arbeitsergebnis verbessert. Elektromotoren lassen sich ohne nennenswerte Energieverluste ab- und wieder zuschalten, sich besser und somit bedarfsgerechter regeln und ermöglichen im Vergleich zum herkömmlichen Antriebskonzept eine höhere und einfachere Arbeitsprozessautomation. Der Nachteil von gängigen elektrischen Antrieben gegen-über hydraulischen Antrieben ist die geringere Leistungsdichte. Durch die Kombination aus schnell-laufen-den Elektromotoren mit Flüssigkeitskühlung und Untersetzungsgetrieben kann die notwendige Leistungsdichte der elektrischen Antriebe jedoch realisiert werden. Außerdem kann und darf das Gesamtgewicht eines Straßenfertigers aus Gründen der Traktion und der statischen Auflast der Einbaubohle nicht beliebig gesenkt werden.

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