Effizienzsprung beim E-Bagger

2014 konstruierten pfiffige Maschinenbauer und Elektroingenieure an der ETH Zürich den weltweit ersten Bagger mit Batterieantrieb. Das Projekt führte ein Jahr später zur Gründung der Suncar AG. Die Firma unterstützt seither Hersteller von Bau- und Arbeitsmaschinen bei der Elektrifizierung ihrer Maschinen und Fahrzeuge. Das Cleantech-Unternehmen mit Sitz in Oberbüren (SG) und einer F+E-Abteilung in Schlieren (ZH) zählt heute 50 Beschäftigte, darunter 40 Ingenieurinnen und Ingenieure.

In einem aktuellen Entwicklungsprojekt befassten sich die Suncar-Ingenieure mit der Elektrifizierung von Mobilbaggern. Herkömmlicherweise werden diese Bagger über Hydraulik mittels Dieselmotor angetrieben. In den letzten Jahren brachten verschiedene Hersteller elektrifizierte Maschinen auf den Markt, die einen Elektro- statt einen Verbrennungsmotor haben. In einem P+D-Projekt des Bundesamts für Energie gingen die Suncar-Ingenieure nun noch einen Schritt weiter: Mit ergänzenden Elektromotoren und einer effizienteren Fahrzeugarchitektur arbeiteten sie darauf hin, den Energieverbrauch von Mobilbaggern weiter zu senken und die aktuellen Grenzen der Maschinenelektrifizierung auszuloten.

Zu diesem Zweck kooperierten die Suncar-Ingenieure mit der deutschen Firma KTEG, die in enger technischer Beziehung zum japanischen Hersteller Hitachi Construction Machinery steht. Als Basis diente ein dieselgetriebener Mobilbagger vom Typ Hitachi ZX150W. Darauf aufbauend konzipierten die Suncar-Experten die vollständige elektrische Fahrzeugarchitektur inklusive Verkabelung, Software und Thermomanagement und setzten diese gemeinsam mit dem von KTEG vorbereiteten Stahlbau um. Es entstand ein Mobilbagger, dessen Elektrifizierungsgrad in dieser Fahrzeugklasse bislang nicht erreicht wurde und der in technischer Hinsicht Neuland erschliesst: So wurde nicht nur der Dieselmotor durch einen Elektromotor ersetzt, sondern auch der Fahrantrieb erfolgt neu mit einem Elektromotor. Darüber hinaus wurden zwei weitere Elektromotoren eingebaut – der eine sorgt für den Schwenkantrieb, der andere ist Teil eines elektrohydraulischen Hubsystems für das Heben und Senken des Auslegers, an dem Schaufel oder andere Arbeitsgeräte befestigt sind.

So entstand der Prototyp eines E-Baggers, bei dem neben dem Dieselmotor auch elementare Teile des Hydrauliksystems elektrifiziert wurden. Dies führt zu einer deutlich energieeffizienteren Baumaschine: Der Prototyp braucht während eines typischen Arbeitstages bis zu 40 Prozent weniger Energie als ein Elektrobagger, bei dem einzig der Diesel- durch einen Elektromotor ersetzt wurde. «Dieser Effizienzgewinn unterstreicht deutlich, welches Potenzial in der Elektrifizierung von Baumaschinen liegt», sagt Suncar-Projektleiter Rik Bättig. Zum Vergleich verweist der Maschineningenieur auf Verbrennungsmotoren. Dort führten innovative Ansätze bestenfalls zu Effizienzsteigerungen von wenigen Prozenten.

Der niedrigere Verbrauch des umfassend elektrifizierten Mobilbaggers fusst unter anderem auf Rekuperation. Die Energierückgewinnung, zum Beispiel aus Abbremsvorgängen, ist beim Einsatz von Elektromotoren einfacher als bei Hydrauliksystemen. In den Teilsystemen des Prototyps werden unterschiedlich hohe Einsparungen erzielt: Beim Fahrantrieb betragen sie über 70 Prozent. Beim Schwenkantrieb für den Oberwagen sind es sogar bis zu 80 Prozent, beim Hubsystem 50 bis 80 Prozent. Bezogen auf einen achtstündigen Arbeitstag spart das Fahrzeug rund 165 kWh Strom, was auf ein Jahr bezogen einem finanziellen Gegenwert von rund 6500 Franken entspricht.

Den tieferen Betriebskosten stehen höhere Herstellungskosten für den Mobilbagger gegenüber. Eine abschliessende Wirtschaftlichkeitsrechnung für ein marktfähiges Produkt liegt bisher nicht vor. Klar ist, dass die Elektrifizierung einen günstigen Klimaeffekt hat: In einer vereinfachten Lebenszyklusbetrachtung inklusive Herstellungsprozesse der Komponenten und des Baggers verursacht der elektrische Prototyp im Vergleich zu einem dieselbetriebenen Bagger rund 80 Prozent weniger CO2-Emissionen.

Die direkte Elektrifizierung von Hydraulikantrieben auf Baumaschinen steht noch am Anfang. Die dafür erforderlichen Bauteile sind erst beschränkt verfügbar. Ein Teil der Komponenten für den Umbau des Hitachi-Mobilbaggers wurde von den Lieferanten eigens für dieses Projekt entwickelt. «Damit hatte unser Projekt eine Wirkung, von der fortan auch andere Maschinenhersteller profitieren können, welche die hydraulischen Systeme von Baumaschinen schrittweise durch elektrische Systeme ersetzen wollen», sagt Bättig. Ob sich energieeffiziente Mobilbagger durchsetzen, hängt am Ende nicht nur an der Technik, sondern auch an der Akzeptanz: Elektrische Motoren können zu einem leicht neuen Bediengefühl führen, im Vergleich zu herkömmlichen Hydrauliksteuerungen. Auch wenn die elektrischen Motoren grundsätzlich performanter sind, müssen sich Baggerfahrer teilweise erst damit anfreunden, wie mehrwöchige Testeinsätze des Prototyps auf Pilotbaustellen in Basel und Luzern gezeigt haben.

Der Bedarf für Bagger, die ohne Diesel auskommen und leise arbeiten, ist gerade auf Baustellen in bewohnten Gebieten gross. In skandinavischen Staaten gibt es heute schon gesetzliche Vorschriften für emissionsfreies Bauen. Rik Bättig rechnet damit, dass der Prototyp aus dem P+D-Projekt bis in einem Jahr Serienreife erlangen dürfte. Im nächsten Schritt sollen die Schnittstelle zur Hitachi-Steuerung und die Integration der neuen elektrischen Komponenten auf Serienstand gebracht werden. Zudem muss der E-Bagger weitere Praxistests bestehen und ein attraktives Kosten-Nutzen-Verhältnis erreichen.