Wie Cat Baumaschinen den Verbrauch von Energie und den Ausstoß von Emissionen reduzieren

Beim Einsatz von Baumaschinen achtet man immer mehr auf die Betriebskosten. Doch mit dem drohenden Klimawandel gewinnt der Faktor Nachhaltigkeit an Relevanz. Längst pochen immer mehr Großstädte auf die Senkung der Feinstaub- und Stickoxid-Belastung und die Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte. Nicht selten müssen Bauunternehmen schon bei der Ausschreibung angeben, welche Maschinen sie einsetzen, um die Emissionen zu reduzieren. Auch Firmen, die nach der Energiemanagementnorm ISO 50001 zertifiziert sind, müssen dafür Sorge tragen, die Energieeffizienz systematisch und kontinuierlich zu erhöhen. Weil Baufirmen produktiv, aber auch nachhaltig arbeiten wollen, indem sie Kraftstoff und CO₂ -Emissionen sparen, setzt Caterpillar darum im Rahmen seiner Nachhaltigkeitsstrategie auf ein ganzes Bündel an Maßnahmen, insbesondere auf innovative Antriebe, damit Baumaschinen den Verbrauch von Energie begrenzen und Ressourcen besser ausschöpfen. 

988K_XE

Die Entwicklung neuer Baumaschinen in den letzten Jahren wurde getrieben durch die mehrfache Verschärfung der Abgasvorschriften, was massive Veränderungen an Motorentechnik und Abgasanlagen mit sich brachte. Damit sanken sukzessive die Emissionsgrenzwerte. Seit Anfang 2019 gelten europaweit die Emissionsgrenzwerte der Stufe V für alle neu in Einsatz gebrachten, nicht straßengebundenen Maschinen im Leistungsbereich unter 56 kW sowie über 560 kW. Die kleinen und ganz großen Motoren in diesen Klassen waren bislang in Europa nicht reguliert und werden seitdem erstmals auch durch eine europaweite Emissionsgesetzgebung begrenzt. In der Leistungsklasse 56 kW bis 560 kW wurde die neue Abgasstufe ab 2020 eingeführt und verschärft auch bei diesen Maschinen nochmals die Grenzwerte für den Ausstoß von Dieselpartikeln. Wer sich den Verlauf anschaut, wird feststellen, dass bereits bei Motoren der Stufe IIIB die NOX-Emissionen um weitere 50 Prozent und die Rußemissionen um 90 Prozent gegenüber der Stufe IIIA gesenkt wurden. Die Emissionsgrenzwerte der Stufe IV erforderten sogar, bezogen auf die Stufe IIIA, nochmals eine Reduzierung der Stickoxide um 90 Prozent. In der Stufe V werden im Vergleich zu den Emissionsgrenzwerten der Stufe IV die Feinstaubpartikel um weitere 40 Prozent gesenkt. Zwar leisten die Cat Motoren – wie alle Stufe-V-Dieselmotoren – damit einen wesentlichen Beitrag für die Umwelt und die CO2-Bilanz, aber mit weiteren Optimierungsmaßnahmen zur Reduzierung von Leistungsverlust konnte man noch mehr erreichen.

2018 und 2019 läutete Caterpillar mit den Kettenbaggern der Serie 300 eine neue Baumaschinen-Generation ein. Die Modelle 320, 323, 330 und 336 punkten mit 45 Prozent mehr Fahrereffizienz, 25 Prozent geringerem Spritverbrauch und 15 Prozent niedrigeren Wartungskosten. Wie ist das möglich? Der neue Smart-Modus passt die Motor- und Hydraulikleistung besser an die Einsatzbedingungen an. Die Motordrehzahl wird automatisch abgesenkt, wenn weniger Hydraulikbedarf vorliegt, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Das neue Kühlsystem mit mehreren elektrischen Lüftern ist effizienter als Kühlsysteme mit nur einem Lüfter, da die Temperaturen von Hydrauliköl, Kühler und luftgekühltem Ladeluftkühler unabhängig voneinander überwacht werden, sodass die Lüfter genau für die erforderliche Luftzirkulation sorgen. Mit dem neuen, elektronisch vorgesteuerten Hydrauliksystem für alle neuen 300er-Bagger, das auf Reaktionsgeschwindigkeit und Effizienz ausgelegt ist, entfallen die hydraulischen Steuerleitungen. Dadurch reduzieren sich Druckverluste und letztlich auch der Kraftstoffverbrauch. Weniger Hydraulikleitungen am Bagger führen nicht nur zu einem um 20 Prozent verringerten Hydraulikölbedarf und niedrigeren Betriebskosten, sondern auch zu einem übersichtlicheren Hydrauliksystem, das einfacher zu warten und zu reparieren ist.

Darüber hinaus tragen integrierte Assistenzsysteme wie eine 2D-Steuerung, Planierautomatik, Arbeitsraumbegrenzung (Höhe, Tiefe, Schwenken) und eine Baggerlastwaage als Teil der Serienausstattung dazu bei, dass der Maschinist schneller und präziser das gewünschte Ergebnis erreicht – auch so wird der Kraftstoffverbrauch und somit der Ausstoß von Emissionen reduziert. Die Planierautomatik Grade Assist steuert die Bewegungen von Ausleger und Löffel, sodass der Fahrer ein genaues Planum mühelos mit nur einer Joystick-Bewegung für den Stiel herstellen kann – keine Bewegung ist somit zu viel. Mit der Systemfunktion E-Fence (Begrenzung des Arbeits- und Schwenkbereichs) kann die Maschine sicher unter Bauwerken oder in der Nähe von Verkehr arbeiten. Auch da bewährt sich zielgerichtetes und effizientes Arbeiten. Das serienmäßige Wägesystem Cat Payload hilft, die Transportfahrzeuge zu hundert Prozent auszuladen und stellt gleichzeitig sicher, dass diese nicht überladen werden. So fahren sie am effizientesten.

Für die Radlader der XE-Baureihe hat Caterpillar ein stufenloses, leistungsverzweigtes Getriebe entwickelt, mit dem es gelingt, den Kraftstoffverbrauch für diese Modelle effizienter zu gestalten. Das XE-Getriebe kombiniert Hydrostat mit Wandlergetriebe und vereint somit die Vorteile beider Systeme in einem Antrieb, also die leichte und stufenlose Regelbarkeit des Hydrostaten mit dem hohen Wirkungsgrad eines mechanischen Antriebes, der im Lastbetrieb unschlagbar ist. Die neue Getriebeeinheit macht es möglich, dass der Motor fast immer im optimalen Drehzahlbereich läuft. Somit sorgt die XE-Technologie im Durchschnitt für 25 Prozent höhere Kraftstoffeffizienz pro Tonne geförderten Materials im Vergleich zu Maschinen mit herkömmlichen Drehmomentwandlern.

D6
In Zukunft werden alternative Antriebe gefragt sein. Fotos: Caterpillar

Neben der bestehenden Produktpalette mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren bieten Caterpillar und Zeppelin verschiedene elektrische Antriebslösungen je nach Größe, Leistung und Einsatzspektrum. Dazu gehören fertig entwickelte Bagger mit Kabelversorgung, dieselelektrische Maschinen, aber auf der bauma 2019 wurden auch Prototypen mit Akku-Technologie gezeigt. „Caterpillar und Zeppelin fühlen sich längst einer nachhaltigen Entwicklung verpflichtet, die sich durch das Produktspektrum und unseren Service zieht“, stellt Fred Cordes heraus, der bei Zeppelin Baumaschinen verantwortliche Vorsitzende der Geschäftsführung. Hierzu zählen Programme zur proaktiven Wartung und Reparatur, insbesondere das Austauschteile-Programm oder Certified Rebuild, die zur besseren Auslastung der in der Maschine verbauten Rohstoffe beitragen und die grundsätzlich auf mehrere Lebenszyklen ausgelegte Konstruktion der Maschinen.

In Zukunft werden vor allem alternative Antriebe gefragt sein. Denn an Elektromobilität kommt heute kein Baumaschinenhersteller mehr vorbei. Das glaubt Andreas Tschiesner, Seniorpartner im Münchener Büro von McKinsey und Co-Autor der Studie „Heavy machinery & equipment: Capturing the industry’s electrifying momentum“, welche die Unternehmensberatung veröffentlichte. Er ist überzeugt: „Die Elektromobilität kommt. Die beeindruckenden Fortschritte, die wir aktuell bei Autos und Bussen sehen, werden sich schrittweise auch bei Bau- und Großmaschinen niederschlagen.“ Neben den niedrigeren Gesamtbetriebskosten beschleunigen weitere Faktoren die Entwicklung hin zur E-Mobilität. „In vielen Städten und Ländern werden die Emissionsvorschriften für Feinstaub, Stickoxide und Lärm verschärft – und diese sind mit elektrischen Baumaschinen leichter einzuhalten.“ Zudem habe sich die Technologie in den vergangenen Jahren signifikant verbessert, so Tschiesner – sowohl bei den verfügbaren Ladetechnologien als auch bei den Leistungsdaten der Batterien. „Von dieser Entwicklung können alle Marktteilnehmer profitieren. Dafür müssen die Unternehmen jedoch neue Kompetenzen rund um die Technologie sowie bei den neuen Geschäftsmodellen aufbauen“, äußert Tschiesner.

Einen Anfang machte Caterpillar schon 2007 mit dem dieselelektrisch angetriebenen Dozer D7E. Zur steinexpo 2017 wurde die dieselelektrische Antriebstechnik auf den Cat Radlader 988K XE übertragen und auf den neuesten technologischen Stand gebracht. Dabei treibt ein Cat C18 Acert-Diesel mit Stufe-IV-Abgasreinigungstechnik direkt einen modernen geschalteten Reluktanz-Generator an. Die im Generator erzeugte elektrische Energie geht über eine ausgeklügelte Regelelektronik in den Elektromotor, der dann über eine Welle den konventionellen Antriebsstrang in beiden Achsen antreibt. Auch der Elektromotor ist ein geschalteter Reluktanz-Motor, eine Technologie, die einfachen technischen Aufbau, einen hohen Wirkungsgrad und feine Regelbarkeit verknüpft. Da der Diesel ständig im optimalen Betriebspunkt arbeitet und Getriebe- und Wandlerverluste beim Cat 988K XE entfallen, sinkt der Kraftstoffverbrauch im Vergleich mit dem konventionell angetriebenen Cat 988K erheblich. Laut Herstellerangaben soll sich die Gesamteffizienz im Vergleich zum 988K beim 988K XE um 25 Prozent verbessern. Eine Einsatzstudie des Baumaschinenherstellers ergab eine um bis zu zehn Prozent höhere Produktivität bei Load-and-Carry-Einsätzen mit dem Gerät.

Auf der bauma 2019 setzte sich die Entwicklung fort mit einer weiteren dieselelektrischen Cat Raupe – der D6 XE besticht durch eine bis zu 35 Prozent bessere Kraftstoffeffizienz gegenüber dem Vorgänger D6T. Das liegt daran, dass das bewährte Deltalaufwerk mit hochgesetztem Turas jetzt mit einem starken Elektromotor angetrieben wird – der erste, inzwischen weltweit bewährte dieselelektrische Dozer Cat D7E kam seinerzeit noch mit ovalem Laufwerk auf den Markt. Die neue Antriebstechnik reduziert den Kraftstoffverbrauch um bis zu 35 Prozent und erlaubt der Maschine eine verblüffende Wendigkeit. Konstante Leistung auch bei schwerer Last, kontinuierlicher Schub und bessere Manövrierbarkeit bedeuten kürzere Taktzeiten. Der dieselelektrische Antrieb bietet so beste Voraussetzungen, um ein Höchstmaß an Produktivität und Kraftstoffeffizienz zu erreichen. Dank der gesteigerten Produktivität des D6 XE und weniger Kraftstoffverbrauch können Kunden, die von diesen Vorteilen profitieren möchten, laut Herstellerangaben eine Amortisierung der Mehrkosten in weniger als zwei Jahren erwarten. Der Cat D6 XE ist – ähnlich wie der dieselelektrische Radlader Cat 988K XE – mit einem elektrischen Antriebssystem der nächsten Generation ausgestattet, das hohe Leistung, geringen Wartungsanspruch und lange Haltbarkeit ideal kombiniert. Auch bei der Planierraupe unterstützen neue Assistenzsysteme den Fahrer dahingehend, produktiver zu werden. Die zur Verfügung stehenden Systeme reichen von der serienmäßigen Planierhilfe Slope Assist bis hin zur werkseitig vollständig integrierten 3D-Maschinensteuerung.

Kettenbagger
Integrierte Assistenzsysteme tragen dazu bei, den Ausstoß von CO2 zu verringern.

Doch auch bei Kompaktmaschinen findet man längst Vertreter für alternative Antriebe. Bei dem Cat Mikrobagger 300.9D VPS handelt es sich zunächst um einen Minibagger mit ganz normalem Dieselbetrieb. Im Elektrobetrieb wiederum erfolgt die Versorgung der Baggerhydraulik durch ein elektrisch angetriebenes (7,5 kW) zusätzliches Hydraulikaggregat. Das wird an eine Kraftstrom-Steckdose angeschlossen und versorgt die Baumaschine über zwei je zehn Meter lange Schlauchleitungen mit Öldruck. Der Transportbügel des Hydraulikaggregats kann am Bagger als Schlauchhalter eingesetzt werden. Dadurch werden die Schläuche von den Laufwerksketten ferngehalten und eine Beschädigung beim Fahren verhindert. Da der Ölstrom durch die Drehdurchführung fließt, kann der Oberwagen der Maschine auch im Elektromodus völlig ungehindert drehen. Zum Transport wird das Aggregat im Abstützplanierschild eingehängt – es kann auch für andere Geräte genutzt werden. Insbesondere wenn in geschlossenen Räumen im Abbruch oder in der Sanierung gearbeitet wird, ist die kompakte Bauweise der 900 Kilo schweren und 90 Zentimeter breiten Baumaschine von Vorteil, um durch Türstöcke manövrieren zu können – und völlig abgasfrei der Arbeit nachzugehen.

Als echter Hybrid gilt auch der Cat Minibagger 302.7 epowered by Zeppelin, denn er verfügt ebenfalls zusätzlich zum Dieselantrieb noch über einen wahlweisen Elektroantrieb. Durch das einfache Umschalten auf den emissionsfreien Elektroantrieb lässt sich die kompakte Maschine für Arbeiten in geschlossenen Räumen einsetzen, wie zum Beispiel für Gebäudesanierungen und Abrissarbeiten im Inneren. Durch seinen geräuscharmen Elektroantrieb eignet sich der Minibagger auch für innerstädtische Baustellen. Im Elektromodus treibt ein am Oberwagen verbauter Elektromotor mit elf kW eine separate Hydraulikpumpe an, welche die Maschinenhydraulik mit dem erforderlichen Ölstrom versorgt. Die Stromversorgung erfolgt wahlweise über ein am Kabinendach angebrachtes Schleppkabel oder über eine Kabeltrommel. Dadurch ist die kompakte Baumaschine auch im Elektromodus mobil. Eine Kabelführung verhindert die Beschädigung des Stromkabels bei kurzen Fahrbewegungen. Weil keine Batterie geladen werden muss und kein Nachtanken erforderlich ist, werden keine Pausen oder Arbeitsunterbrechungen fällig. Auch für den Dieselbetrieb bedeutet die zusätzlich eingebaute Technik keinerlei Einschränkung.

Für den Materialumschlag eignen sich die elektrisch betriebenen Umschlagbagger MH22 und MH24 mit Versorgung per Kabel, die in enger Zusammenarbeit zwischen Zeppelin und Caterpillar speziell für den deutschen Markt entstanden sind. Ausgerichtet wurden sie auf eine hohe Leistung im Halleneinsatz, wo sie ihre Vorteile ausspielen können: eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit durch kurze Taktzeiten bei keinerlei Abgasemissionen. Der MH22 basiert mit seinen 22 Tonnen Einsatzgewicht auf dem bekannten Cat Umschlagbagger MH3022. Der MH24 setzt mit seinen 24 Tonnen Einsatzgewicht auf dem Cat Umschlagbagger MH3024 auf. Die elektrische Leistung gelangt über einen großzügig dimensionierten und gegen Kondenswasserbildung beheizten Schleifringkörper vom Unterwagen in den Oberwagen. Die beiden Maschinen sind dank ihres bürstenlosen Elektromotors deutlich leiser. Er arbeitet abgasfrei und es bedarf somit keiner aufwendigen Frisch- und Abluftsysteme im Halleneinsatz. Außerdem erzeugt er keinen Funkenflug und kaum Abwärme, womit er sich für Einsätze eignet, bei denen leicht entzündbare Materialien umgeschlagen werden. Durch das Schleppkabel oder eine optional verfügbare Kabeltrommel können der MH22 und MH24 auch mobil eingesetzt werden, Steckerverbindungen ermöglichen den flexiblen Einsatz an verschiedenen Orten auf dem Betriebsgelände. Außerdem ist nun auch eine dieselhydraulische Verfahrlösung verfügbar. Die Steuerungselektronik ist in einem separaten Schaltschrank angeordnet. Die Bedienung und Überwachung des Elektroantriebs erfolgt über einen zusätzlichen Touchscreen-Monitor in der Fahrerkabine. Der Wegfall des Verbrennungsmotors reduziert den Wartungs- und Reparaturaufwand deutlich. „Noch viel größer fällt der Unterschied bei den Betriebskosten aus: Diese lassen sich um bis zur Hälfte gegenüber den bereits auf Kraftstoffeffizienz getrimmten Cat MH-Umschlagbaggern mit herkömmlichem Dieselantrieb reduzieren“, gibt Stefan Besendorfer, Leiter Produktmanagement Materialumschlag, Recycling und Sonderlösungen bei Zeppelin, bekannt.

Inzwischen unterstützt auch der Bund Investitionen in energieeffiziente Maßnahmen, so auch für besonders kraftstoffeffiziente Baumaschinen. Die Anschaffung einer solchen wird mittlerweile je nach Unternehmensgröße für kleine und mittlere Betriebe (KMU) mit 500 bis 700 Euro pro jährlich eingesparter Tonne gefördert, damit sie ihre CO₂ -Bilanz verbessern können. Allerdings müssen auch einige Voraussetzungen dafür erfüllt sein: „Ganz wichtig: Der Antrag muss vor dem Kaufvertrag gestellt werden. Im Nachgang ist das leider nicht wirksam“, so Staale Hansen, Leiter Produktmanagement für Großgeräte bei Zeppelin. So darf die Neumaschine ausschließlich auf dem Betriebsgelände, nicht jedoch auf öffentlichen Straßen eingesetzt werden. Zudem muss der Betrieb des Geräts auf mindestens drei Jahre ausgelegt sein. Entweder zahlt das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle einmalig einen Investitionszuschuss in Höhe des berechneten Zuschusses aus oder die KfW-Bank vergibt einen KfW-Kredit mit Tilgungszuschuss. „Ein Liter weniger Sprit bedeutet 2,64 Kilo weniger CO₂ -Ausstoß. Daran orientiert sich der Zuschuss, berechnet aus dem CO₂ -Förderdeckel. Es lohnt sich für Firmen, die konsequent auf Energieeffizienz achten. Sie können hier etliches an Geld sparen, wenn sie in zukunftsweisende Technik investieren“, so Hansen. Sofern ein antragstellendes Unternehmen über ein nach DIN EN ISO 5001 oder EMAS zertifiziertes Energie- oder Umweltmanagementsystem verfügt, kann das Einsparkonzept unternehmensintern erstellt werden. Ansonsten übernehmen dies zugelassene Energieberater. Diese sollten auch das intern angelegte Einsparkonzept bestätigen. Das sollte Informationen zu den geplanten Maßnahmen sowie einen Soll-Ist-Vergleich zum Energieverbrauch enthalten.

Dabei sind es nicht nur Motoren alleine, mit denen der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann, sondern auch die Fahrer selbst können durch eine spritsparende Fahrweise ihren Teil dazu beitragen. Bei Zeppelin können die Fahrer in Form von Schulungen der Projekt- und Einsatztechnik lernen, wie sie ihre Maschinen spritsparender einsetzen können. Außerdem erhalten sie Informationen, wie sie sicherer mit der Baumaschinentechnik umgehen. „Zur Nachhaltigkeit gehört auch Arbeitsschutz und Sicherheit. Auch darauf sind unsere Produkte ausgerichtet. Caterpillar hat hier in den letzten Jahren gewaltige Anstrengungen unternommen, die Fahrer besser zu schützen und ihnen so einen sicheren Arbeitsplatz zu bieten“, so Staale Hansen. Aber das ist wieder ein anderes Thema, das in einer der nächsten Ausgaben im Baublatt vertieft werden soll.  

Kommentieren Sie den Artikel

Please enter your comment!
Please enter your name here