Das Erreichen von Null-Emissionen bedeutet die Elektrifizierung ganzer Baustellen

Bild mit freundlicher Genehmigung von Moog Construction

Es gibt ein Problem mit der Art und Weise, wie die Elektrifizierung weltweit voranschreitet, insbesondere im Bauwesen.

Wenn die Ziele der Elektrifizierung darin bestehen, die Emissionen drastisch zu reduzieren, den Energieverbrauch in der Produktion zu senken und den Rohstoffverbrauch einzuschränken, ist es weder produktiv noch effizient, elektrische Baumaschinen einzeln zu kaufen und auf der Baustelle einzusetzen.

Die Baubranche investiert viel Geld und Mühe in die Konzeption und Entwicklung elektrischer Lösungen, doch die Umsetzung hinkt hinterher.

Im Gegensatz dazu wurden laut Analysten von Off-Highway Research im Jahr 2022 allein in Nordamerika 41.320 dieselbetriebene Bagger gekauft. Wenn der Kauf von Off-Highway-Elektrofahrzeugen über Nacht in die Höhe schoss, welche nachhaltige Lösung gibt es dann für den Einsatz von Zehntausenden dieselbetriebener Fahrzeuge, die Jahrzehnte überdauern könnte?

Einem Bericht der Unternehmensberatung Roland Berger zufolge rührt der Vorstoß zur Elektrifizierung von Geländefahrzeugen unter anderem von staatlichen Vorschriften zur Reduzierung von Emissionen und Lärm sowie dem Wunsch nach Kraftstoffeffizienz her.

„Die Emissionsstandards in den USA, Europa, China und Indien werden zunehmend strenger. Obwohl Schwerlastfahrzeuge noch keine spezifischen CO2-Ziele erfüllen müssen, könnte sich das bereits 2025 ändern …“, heißt es in der Studie von Roland Berger. „Führende Industriehersteller wie Komatsu, CAT, Hitachi, John Deere und Volvo erwarten Kraftstoffkosteneinsparungen zwischen 20 und 50 % für elektrifizierte Geländefahrzeuge.“

Roland Berger prognostiziert weiter, dass Kompakt- und Bergbaufahrzeuge den Weg zur Elektrifizierung ebnen werden. Es gibt bereits Innovationen mit Maschinen wie vollelektrischen Kompaktladern von Bobcat und Bergbau-LKWs von Epiroc sowie Ladetechnologien zur Unterstützung dieser Geräte. Einige Erstausrüster von Bergbaumaschinen haben Dienste für den Batteriewechsel ihrer riesigen Elektrofahrzeuge entwickelt, um die Laufzeit zu verlängern und die Art und Weise nachzuahmen, wie Besitzer von kabellosen Handwerkzeugen die Batterien austauschen, um weiterarbeiten zu können. Auf Bergbaugeländen sind derzeit 18-Meter-Nutzlastlader mit bis zu 450 kWh nutzbarer Batteriekapazität und austauschbaren Batterien im Einsatz. Die Idee austauschbarer Batterien ist großartig, aber die Batterien im Bergbaufahrzeug eines Erstausrüsters können nicht mit der Maschine eines anderen Herstellers ausgetauscht werden.

Unabhängig von der Umgebung stellen sich Bauprofis zwei Fragen: Wie viel Arbeit kann ich an einem Tag erledigen und was kostet diese Arbeit?

Elektrifizierende Baustellen

Anstatt sich auf die Elektrifizierung bestimmter Fahrzeugmarken und -modelle als eigenständige Projekte zu konzentrieren, sollte die Bauwelt Baustellen und ganze Fahrzeugflotten elektrifizieren.

Das bedeutet, dass die Maschine von der Batterie getrennt wird. Denken Sie an das Konzept der Modularität in Form eines Hochspannungsbatteriemoduls, das die Einführung der Elektrifizierung vorantreiben würde. Durch die Analyse dessen, was auf einer emissionsfreien Baustelle passieren muss, um die Arbeit eines Tages zu erledigen, könnten Projektmanager dann entscheiden, wie viel Batteriekapazität ihre Maschinen benötigen. Wenn Arbeiter beispielsweise eine Bohrmaschine verwenden, wählen sie die richtige Batteriegröße für die geplante Arbeit oder stellen sicher, dass sie genügend Ersatzbatterien zur Hand haben.

Ein ZQuip-Bagger gräbt auf dem Testgelände von Moog Construction in West Seneca, New York, USA.

Bei Baumaschinen ist es entscheidend, eine ausreichende Laufzeit sicherzustellen. Dafür haben OEMs und Kunden das Gefühl, dass sie ihre Maschinen mit der größtmöglichen Batterie (z. B. 800 kWh) ausstatten müssen, um ihre Aufgaben zu erledigen und Energiereserven zu haben. Die Maximierung der Batteriegröße maximiert jedoch nur den Preis der Maschine.

Die Herausforderung besteht nicht in der Maximierung, sondern in der Optimierung. Aber selbst die überdimensionierte Batterie eines teureren Elektrobaggers garantiert nicht, dass eine hohe Hürde bei der Einführung genommen wird: die Reichweitenangst zu beseitigen und die Arbeit unabhängig von den Bedingungen zu erledigen.

Um Baustellen zu elektrifizieren und null Emissionen zu erreichen, sollte die Bauindustrie damit beginnen , vorhandene dieselelektrische Baufahrzeuge auf modulare Batterieantriebe umzustellen . Diese umgerüsteten Maschinen können mit schnell aufladbaren, austauschbaren Batteriemodulen betrieben werden, die für jede Marke und jedes Modell von Maschinen geeignet sind. Und wenn die Module nicht an einer Maschine angebracht sind, können sie als Generatoren dienen: als Fahrlicht, Heiz- oder Kühlanhänger und mehr.

Modularität in der Praxis

Stellen Sie sich vor, Sie rüsten einen dieselbetriebenen Bagger von Caterpillar in ein Elektromodell um und machen das Gleiche mit einem Radlader von Komatsu und einem Raupenlader von Bobcat. Dann können Sie für alle drei Maschinen auf einer Baustelle ein Batteriemodul derselben Größe verwenden.

Der Bagger benötigt möglicherweise drei oder vier Hochspannungsbatteriemodule, der Mini-Raupenlader ein Modul und der Radlader zwei. Die Kombination der Batteriemodule auf jeder Maschine würde sich nacheinander entladen, obwohl sie per Software so programmiert werden könnten, dass sie parallel Strom liefern.

Mit diesem Ansatz erhalten Kunden emissionsfreie Maschinen mit genau der richtigen Batteriekapazität für die zu erledigende Arbeit. Nehmen wir an, dem Bagger geht die Energie aus. Der Radlader kann nebenan anhalten und eines seiner Batteriemodule anschließen, um das Modul des Baggers „aufzufüllen“ oder sogar mithilfe eines Teleskopladers eines seiner Batteriemodule auszuleihen. Mit einem solchen Modell könnten Maschinenbediener Batterien zwischen Maschinen austauschen, mit einem Hochspannungskabel Maschine-zu-Maschine-Aufladungen durchführen oder eine Maschine schnell über ein eigenständiges Modul oder ein Schnellladesystem aufladen.

Moog hat bei seinem vollelektrischen Kompakt-Raupenlader T7X mit Bobcat zusammengearbeitet, der 2022 auf der CES vorgestellt wurde. (Foto: Bobcat)

Stellen Sie sich eine Baustelle mit sechs Maschinen vor, die austauschbare Batteriemodule verwenden. Zwei benötigen 800 kWh Batteriekapazität, während vier jeweils 400 kWh benötigen. Die Gesamtenergie für den Tag beträgt 3,2 MWh oder 23 Batteriemodule mit 140 kWh. Im Gegensatz dazu sind die herkömmlichen vollelektrischen Fahrzeuge, die einige OEMs herstellen, beispielsweise mit einer 800-kWh-Batterie an jeder der sechs oben genannten Maschinen ausgestattet. In diesem Szenario würde der Besitzer 50 % mehr für Batteriekapazität bezahlen, die ungenutzt bleibt. Der Wert der Modularität ist zweifach. Erstens haben alle Maschinen ein schnell aufladbares Netzteil, das austauschbar ist. Zweitens entspricht die Energiekapazität der erforderlichen Arbeit. Mit anderen Worten: Die Baustelle hat immer die richtige Menge an Strom, wenn sie benötigt wird. Gerätebesitzer und -mieter sollten nicht für Strom bezahlen, den sie nicht benötigen.

Ein Teil des Versprechens der Elektrifizierung besteht in der Einbindung von Software zur Steuerung und Überwachung von Funktionen, die mit herkömmlichen dieselhydraulischen Maschinen nicht möglich sind.

Das Konzept eines austauschbaren Batteriemoduls für alle Maschinentypen würde eine Softwareschicht umfassen, die es einem Elektromotor, einem intelligenten Controller und einem Wärmekit ermöglicht, die Temperatur des Batteriemoduls zu regulieren, damit es in jedem Klima effizient arbeitet.

Außerdem würden Informationen an Gerätebesitzer, Verleihfirmen und Händler gesendet, damit diese wissen, welche Art von Arbeit ihre Maschinen verrichten und wie viel Energie sie verbrauchen. Wenn ein Bediener rechtzeitig weiß, dass ein Batteriemodul schwach wird, kann er ein Modul schneller austauschen, als das Tanken von Diesel dauert.

Wenn die Maschine einem Vermietungsunternehmen gehört, weist die Software des Batteriemoduls das Unternehmen an, ein oder mehrere Module an die Baustelle zu liefern. Die Maschine erhält ihr neues Batteriemodul, wenn es für den Bediener günstig ist, eine Pause einzulegen und die Batterien auszutauschen. Dies beseitigt die Reichweitensorge und stellt sicher, dass der Gerätebesitzer nur für die Batterieleistung zahlt, die er für die Arbeit an dieser Baustelle an diesem Tag benötigt.

So gelingt die Umstellung auf Diesel-Elektro

Die Umrüstung von Dieselmaschinen auf batterieelektrische Maschinen mithilfe eines modularen Ansatzes löst die Probleme, die die Einführung verlangsamen. Und so kann es funktionieren: Für den Umrüstungsprozess müssen Dieselmotor, Kraftstofftank, Gegengewicht und Schläuche entfernt werden. Die restliche Hydraulik bleibt unverändert. Tatsächlich wird die elektrische Umrüstung mit einem in den Motor eingebauten Kabelbaum für Batteriemodule zu einer sauberen Möglichkeit, die Hydraulikpumpe der Maschine anzutreiben. Ein oder mehrere Batteriemodule dienen als Gegengewicht. Und wenn der Motor entfernt ist, können Mechaniker viel einfacher auf die Hydraulik zugreifen, um Reparaturen und Wartungsarbeiten durchzuführen.

Mit jeder umgerüsteten Maschine steigt der Wert für Eigentümer, Betreiber, Vermietungsfirmen und Händler, da ein Standardbatteriemodul jede Maschine überall auf der Welt mit Strom versorgt. Wenn die Branche sich vom Verkauf elektrischer Maschinen auf die Elektrifizierung von Baustellen und ganzen Flotten verlagern kann, wird sie auf die produktivste und wirtschaftlichste Weise einen geringen CO2-Fußabdruck erzielen.

Chris LaFleur ist Geschäftsführer von ZQuip.