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Stand der Technik und bestehende Effizienzgrenzen
Stand der Technik und bestehende Effizienzgrenzen
Hydraulik als zentrales Arbeitssystem moderner Baumaschinen
Hoher Energieverlust bei klassischen dieselhydraulischen Systemen
Ineffizienzen durch Dauerförderung, Drosselung und Wärmeverluste
Notwendigkeit effizienterer elektrohydraulischer Konzepte
Grundproblem klassischer Hydraulik [27] [33]
Grundproblem klassischer Hydraulik [27] [33]
Klassische dieselhydraulische Systeme arbeiten mit einem zentralen Hydraulikkreis, bei dem der Verbrennungsmotor permanent eine oder mehrere Pumpen antreibt.
Unabhängig davon, ob gerade Arbeitsbewegungen ausgeführt werden, stehen Druck und Volumenstrom im System kontinuierlich zur Verfügung.
Dieses Prinzip gewährleistet zwar hohe Leistungsfähigkeit und Robustheit, führt jedoch dazu, dass Hydraulikleistung auch dann erzeugt wird, wenn sie nicht benötigt wird.
Ein erheblicher Teil der eingesetzten Energie wird dadurch bereits auf Systemebene ineffizient genutzt.
Wo geht die Energie im Hydrauliksystem verloren?
Über 75 % der eingesetzten Energie gehen in Pumpen, Ventilen und Leitungen verloren, während am Aktuator kaum Nutzarbeit ankommt
Tabelle 1: Messbasierte Energieverluste in einem hydraulischen Arbeitszyklus – der größte Anteil entfällt auf Pumpen und Ventile.
Kontinuierliche Förderung im Leerlauf → Förder- und Druckverluste ohne Nutzarbeit
Druckabbau in Ventilen bei Teillast → hohe Drosselverluste
Reibung, Leckagen, Druckabfälle → weitere Reduktion der Nutzleistung
Ergebnis:
Gesamtwirkungsgrad konventioneller Systeme oft unter 25 %
Systemische Grenze des Diesel-Hydraulik-Prinzips [43]
Systemische Grenze des Diesel-Hydraulik-Prinzips [43]
Zwar konnten durch Maßnahmen wie Load-Sensing, effizientere Pumpen oder reduzierte Leerlaufdrehzahlen einzelne Verluste verringert werden.
Das Grundprinzip bleibt jedoch unverändert: Energie wird dauerhaft bereitgestellt und anschließend an Engstellen vernichtet.
Diese Verluste sind konstruktionsbedingt und nicht vollständig durch Feinoptimierung zu beseitigen.
Für eine signifikante Effizienzsteigerung ist daher ein grundlegender Systemwechsel erforderlich.
Die Leistungsaufteilung während eines typischen Grab- und Ladezyklus zeigt, dass nur ein geringer Teil der zugeführten Pumpenleistung tatsächlich als Nutzarbeit am Zylinder ankommt.
Ein erheblicher Anteil wird in Ventilen, Druckregelung und internen Verlusten dissipiert.
Abb.: Leistungsfluss während eines Grab- und Ladezyklus - hohe Verluste in Pumpen und Ventilen bei gleichzeitig geringer Aktuator-Nutzleistung.
Effizienzpotenziale durch elektrische (elektrohydraulische) Systeme [28]
Effizienzpotenziale durch elektrische (elektrohydraulische) Systeme [28]
Paradigmenwechsel durch [36][37][27] Elektrifizierung
Paradigmenwechsel durch [36][37][27] Elektrifizierung
Elektrohydraulische Systeme entkoppeln die Hydraulikleistung von der festen Motordrehzahl des Verbrennungsmotors.
Elektrisch angetriebene Pumpen können drehzahlvariabel betrieben oder vollständig abgeschaltet werden.
Dadurch wird Leistung nur dann aufgenommen, wenn sie tatsächlich benötigt wird - im Leerlauf sinkt der Energiebedarf nahezu auf null - ein wesentlicher Effizienzvorteil gegenüber konventionellen Systemen.
Abb.: Elektrische Pumpenantriebe reduzieren den Leistungsbedarf im Leerlauf drastisch gegenüber mechanischen Systemen.
Konkrete Effizienzmechanismen [28][29]
Konkrete Effizienzmechanismen [28][29]
Die Effizienzgewinne ergeben sich aus mehreren technischen Maßnahmen.
Eine bedarfsgerechte Pumpenansteuerung verhindert unnötigen Ölfluss im Leerlauf und reduziert Halteverluste.
Digitale Pumpenkonzepte steuern einzelne Kolbenelemente elektronisch, sodass bei Teillast nur die tatsächlich benötigte Förderleistung erzeugt wird.
Gleichzeitig ermöglichen intelligente Verteilersysteme eine präzisere Ölversorgung der Aktuatoren, wodurch Drosselverluste in Ventilen deutlich sinken.
Das Ergebnis sind höhere Teillastwirkungsgrade und ein insgesamt geringerer Energiebedarf pro Arbeitszyklus.
Bedeutung für elektrische und hybride Maschinen [30][31][32][33]
Bedeutung für elektrische und hybride Maschinen [30][31][32][33]
• Vollelektrische Maschinen:
längere Einsatzzeiten bei gleicher Batteriekapazität
geringere Dauerlasten auf Motor und Leistungselektronik
• Hybrid- und Dieselfahrzeuge:
deutlich reduzierter Kraftstoffverbrauch pro Arbeitseinheit
geringere thermische Belastung des Hydrauliksystems
• Systemebene:
reduzierter Kühlbedarf
höhere Lebensdauer von Pumpen, Ventilen und Dichtungen
Elektrohydraulische Systeme sind damit keine Detailoptimierung, sondern die Voraussetzung für wirtschaftliche Elektrifizierung.
Abb.: Volvo EC400E Hybrid
Digitale Hydraulik im realen Einsatz [30]
Digitale Hydraulik im realen Einsatz [30]
Mehrere Hersteller setzen digitale und elektrohydraulische Systeme bereits im Feldbetrieb ein.
Bestehende Maschinenplattformen werden gezielt mit neuen Pumpen- und Steuerungskonzepten ausgestattet, um gleiche Arbeitsleistung bei deutlich reduziertem Energieeinsatz zu erreichen – ohne Einschränkungen für den Bediener.
Herstellerstrategien im Vergleich [35][36][37]
Herstellerstrategien im Vergleich [35][36][37]
Volvo CE: Digitale Pumpensysteme in Kombination mit elektrifizierten Antrieben, Fokus auf Effizienzsteigerung bei bestehenden Plattformen.
Caterpillar: Elektrohydraulische Steuerung (XE-Serie) mit optimierten Energieflüssen und hoher Robustheit für schwere Einsätze.
Komatsu: Drehzahlvariable Pumpenantriebe kombiniert mit Hybridarchitekturen und elektrischer Schwenk-Rekuperation.
Liebherr: Elektrische Antriebe, frequenzgeregelte Pumpen und optimierte Hydrauliklayouts für emissionsfreie und stationäre Anwendungen.
Trotz unterschiedlicher Ansätze verfolgen alle Hersteller dasselbe Ziel: Reduktion hydraulischer Verluste durch intelligente Systemarchitektur.
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