Neue Multi-Client-Studie22.06.2017

Future Drive Technologies for Mobile Working Machines 2020/2025

Rückblick

Das Thema Antriebstechnik für mobile Arbeitsmaschinen stellt sich immer wieder neu. Als wichtige Systeme und Komponenten haben sich in der Vergangenheit Dieselmotoren und hydrostatische Antriebe herauskristallisiert. Der Begriff Hydraulikbagger belegt das am besten.

Dennoch haben sich in der Vergangenheit immer wieder neue Lösungsansätze gezeigt. Das Unternehmen Vögele AG stellte Mitte der 90iger Jahre den Straßenfertiger Super 1800 DE - ”Der Umweltfreundliche” - mit dieselelektrischem Antrieb vor. Als Vorteile wurden genannt: 50% weniger Kraftstoff, 50% weniger Abgase, und bis zu 30 dB(A) leiser.

Jahre später erlebten mobile Arbeitsmaschinen mit Hybridantrieb einen ersten Höhepunkt. Maschinenhersteller arbeiteten an der Entwicklung von Radladern, Hydraulikbaggern oder auch an Straßenbaumaschinen mit Hybridantrieb. Allerdings verhinderte der Mangel an geeigneter Batterietechnik damals noch eine Serienproduktion.

Dieselmotoren wurden mit aufwendigen Abgasreinigungssystemen ausgerüstet, um der aktuellen Emissionsgesetzgebung zu entsprechen, hydrostatische Antriebe wurden energetisch optimiert.

Neue Rahmenbedingungen

Im Automobilsektor verlieren Dieselmotoren mittlerweile deutlich Marktanteile, Fahrzeughersteller setzen künftig auf Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb. Dies kann nach Aussagen eines Maschinenherstellers dazu führen, dass die Dieselmotorentechnik (z.B. Einspritzsysteme) auch für mobile Arbeitsmaschinen nicht mehr in dem erforderlichen Umfang weitergeführt wird. Dafür wird die Batterietechnik derzeit massiv ausgebaut.

Weltweit kämpfen die Metropolen gegen eine weitere Luftverschmutzung. In Deutschland bereiten Städte wie Stuttgart und München bereits Fahrverbote für Autos vor, die die zukünftige Abgasgesetzgebung nicht erfüllen.

Bei der Vergabe von öffentlichen Bauprojekten wird zukünftig auch mitentscheidend sein, über welchen „sauberen" Maschinenpark Bauunternehmen verfügen. Maschinen mit umweltfreundlichen Antrieben, z.B. Betonmischer mit elektrischem Trommelantrieb erhalten Sonderrechte auf öffentlichen Straßen und können Busspuren nutzen und so ihre wertvolle Ladung schneller an ihren Bestimmungsort bringen.

Dies wird nicht ohne Auswirkungen auf die Antriebstechnik für mobile Arbeitsmaschinen bleiben. Gewinnen werden Hersteller, die über Maschinen mit zukunftsgerichteter Technik verfügen.
 

Baukasten der Zukunft

Zu den etablierten Anbietern von Antriebstechnik werden sich weitere Unternehmen mit neuen Antriebskonzepten gesellen (siehe Tabelle unten).
Entwickler und Konstrukteure haben damit zukünftig einen deutlich größeren Baukasten zur Verfügung, der sie in die Lage versetzen wird, neue Maschinenkonzepte (z.B. Hybridantriebe, elektrohydraulische Lösungen) realisieren zu können.
 

Neue Antriebskonzepte - Baukasten der Zukunft

Fahrzeugantriebe

Fahrantriebe

Arbeitsantriebe

Verbrennungsmotoren

·       Diesel

·       LNG

·       neue Kraftstoffe

Getriebe, Achsen

·       Schaltgetriebe

·       Doppelkupplungsgetriebe

·       CVT-Getriebe

·       Planetengetriebe

Hydraulik

·       Pumpen

·       Ventile

·       Motoren

·       Zylinder

Brennstoffzellentechnik

Hydrostatische Antriebe

·       Pumpen

·       Motoren

·       Ventile

Elektrohydraulik

Batterietechnik

(z.B. Lithium-Ionen-Batterien)

Elektrische Antriebe

·       Generatoren

·       Elektromotoren

·       Konverter

Elektrische Antriebe

·       Motoren

·       Linearantriebe

 
Neue Antriebskonzepte haben Veränderungen für andere Technologien zur Folge.

Für Zulieferer aus angrenzenden Bereichen (z.B. Abgastechnik, Controls und Sensorik), gilt es sich darauf einzustellen.

  

Systeminnovationen werden in der Antriebstechnik für mobile Arbeitsmaschinen der Zukunft eine wichtige Rolle spielen

Neue Maschinenkonzepte – Chancen für zukunftsorientierte Maschinenhersteller und Zulieferer

Mobile Arbeitsmaschinen werden sich in den nächsten Jahren grundlegend verändern. Neben geringeren Abgasemissionen und einer höheren Maschineneffizienz werden Themen wie Internet of Things und Big Data verstärkt Einzug halten, das Thema Connectivity hat sich bei den großen Maschinenherstellern bereits etabliert.

Ebenso werden Roboter- und Automationstechnik in Bau- und Landmaschinen zunehmen. Während einerseits an der Auflösung bestehender Maschinenarchitekturen gearbeitet wird, z.B. das Projekt MARS (Mobile Agricultural Robot Swarms) von Fendt, wird es andererseits auch zu integrierten Lösungen kommen. So stellte Volvo in der Vergangenheit bereits eine Kombination bestehend aus Straßenfertiger und Verdichter vor.

Aktuelle Beispiele sind von Volvo CE der vollelektrische Kompaktbagger EX2 und von John Deere ein Backhoe-Loader.
 

Volvo CE Vollelektrischer Kompaktbagger EX2

  • Der vollelektrische Kompaktbagger EX2 von Volvo CE wurde im Mai 2017 auf dem Volvo Group Innovation Summit präsentiert. 
  • Bei dem EX2 wurde der Verbrennungsmotor durch zwei Lithiumbatterien mit insgesamt 38 KWh ersetzt.
  • Die Hydraulikarchitektur wurde durch eine elektrische Architektur mit elektromechanischen Linearantrieben ersetzt, um die Kraftübertragung zu optimieren.
  • Der Wegfall von Hydraulikanlage, Verbrennungsmotor und der notwendigen Kühlung führt zu einer signifikant geringeren Geräuschemission.
  • Derzeit handelt es sich bei dem EX2 um einen Forschungsprototyp, eine Industrialisierung bedarf weiterer Analysen.
  • An diesem Projekt waren auch sechs Partnerunternehmen beteiligt, unter anderem die Firmen Bonfiglioli, Elbi, EFS, SymbioFCell und Prollion.
  • Volvo CE nennt als Vorteile für den vollelektrische Kompaktbagger:
    o Genug Kapazität für 8 Stunden Arbeit (z.B. Aushub von verdichtetem Boden)
    o Null Emissionen
    o Zehnmal höhere Effizienz
    o Zehnfach geringerer Geräuschpegel
    o Geringere Gesamtbetriebskosten
     

John Deere Backhoe der Zukunft

  • Beim John Deere Backhoe der Zukunft stehen Material- und Technologie-Innovationen im Vordergrund: Das Gewicht sollte um mindestens 20% und die Umweltbelastung um mindestens 10% reduziert werden.
  • Hybridantrieb als Kombination aus hoher Leistung und Effizienz bei leichterem Gewicht und maximaler Produktivität
  • Niedriger Schwerpunkt und verbesserte Sicht auf den Arbeitsbereich
  • Vorwärtsstabilisatoren ermöglichen einen längeren Radstand mit einer luftlosen Radialbereifung und dadurch eine höhere Transportstabilität und mehr Platz in der Fahrerkabine
  • Fahrersitz und Bedieneinheiten wurden von der tragenden Überroll-Schutzvorrichtung (ROPS) getrennt, um Vibrationen und Lärm auf ein Mindestmaß zu reduzieren.
  • Elektrische Allradlenkung erlaubt es die Maschine in engsten Bereichen präzise zu manövrieren.
  • Integrierte Schnittstellen mit Augmented Realitiy für eine angenehme Bedienung.
  • Eine intelligente und vorausschauende Instandhaltung dank „Predictive Maintenance“ reduziert Ausfallzeiten und optimiert das Flottenmanagement.
  • Für die Konstruktion werden neue Materialien verwendet. Der Transport höherer Nutzlasten wird dadurch ermöglicht. Das leichte Exoskelett aus Metall sowie der gefederte Hybridantrieb unterstützen die Konstruktion eines leichtgewichtigen Baggers.
     

Zusammenfassung

Die Treiber für neue Antriebskonzepte sind nicht allein die Themen Energieverbrauch und Emissionsreduzierung. Vielmehr geht es auch um

  • die Automatisierung von Maschinenfunktionen (autonome Maschinen),
  • dynamischere und präzise Arbeitsabläufe und damit insgesamt um eine höhere Maschineneffizienz,
  • Maschinen mit intelligenter Sensorik und Datenübertragung, die Internet of Things und Big Data erst ermöglichen.

Schlussendlich spielt auch eine einfachere Wartung eine wichtige Rolle. Serviceunternehmen rechnen bei elektrischen Radantrieben in Landmaschinen mit einer deutlich einfacheren Fehlersuche gegenüber heutigen hydraulischen Antrieben.

Der vorliegende Beitrag basiert auf einer laufenden Studie zum Thema: Zukünftige Antriebstechnik für mobile Arbeitsmaschinen 2020/2025. Im Rahmen der Studie werden die folgenden Schlüsselfragen behandelt.
 

Zukünftige Antriebstechnik für mobile Arbeitsmaschinen 2020/2025 – Schlüsselfragen

  • Was sind die Treiber für die Anwendung neuer Technologien?
    o    Verfügbarkeit neuer Antriebstechnik, z.B. Elektro- und Hybridantriebe
    o    Einfluss der Technologieentwicklung in anderen Branchen, z.B. LKW und Busse
    o    Zukünftige Entwicklung neuer Technologien (z.B. Hydraulische Hybridtechnik)
    o    Erforderliche Reduzierung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs
    o    Automatisierung von mobilen Maschinen
  • Welche Anforderungen müssen in Zukunft hinsichtlich Energieeffizienz und Konnektivität erfüllt werden? Welche Konsequenzen ergeben sich daraus bei Antriebskomponenten und -systemen sowie für Mess- und Regeltechnik?
  • Maschinen mit neuen Konzepten für Fahr- und Arbeitsfunktionen
  • Welche neuen Lösungen für Fahr- und Arbeitsfunktionen stehen auf der Zulieferseite zur Verfügung?
  • Wie sieht die Roadmap für die Antriebstechnik für mobile Arbeitsmaschinen aus, die bis 2020 und 2025 entwickelt wurden?
  • Märkte und Marktwachstum für zukünftige Antriebstechnik und verwandte Technologien


Auf Basis der Studienergebnisse wird eine Roadmap für die verschiedenen Antriebstechnologien für mobile Arbeitsmaschinen entwickelt.
Diese berücksichtigt die Perspektive der Komponentenlieferanten sowie externe Rahmenbedingungen.

Für weitere Fragen zum Inhalt und den Bezugskonditionen senden wir Ihnen gerne die zugehörige Broschüre zu. Wir freuen uns über Ihre Email oder Ihren Anruf unter +49 7621 55 00 444, bzw. +86 21 2218 3015.