Klima, Abgas, Digitalisierung – wohin geht die Maschinentechnik?

WEIHENSTEPHAN-TRIESDORF, 25.04.2016 – Auch bei Baumaschinen schreitet der technische Fortschritt immer rasanter voran. Doch nicht nur Antriebsarten und Einsatzgebiete verändern sich, auch die gesetzlichen Rahmenbedingungen unterliegen Veränderungen. Ein Überblick:

Von Prof. Dr. Thomas Brunsch, Weihenstephan-Triesdorf

Studie des Volvo Gryphin
Konzeptstudie Hybridradlader: Der Gryphin erklimmt mit elektrischem Radantrieb sogar Treppen. | Foto: Volvo

Moderne Maschinentechnik und die Grüne Branche beeinflussen sich seit dem Ende des 2. Weltkrieges zum gegenseitigen Vorteil. Innerhalb von rund 60 Jahren hat sich ein hoch spezialisiertes Instrumentarium in den Bereichen Erd- und Tiefbau, Transport sowie Vegetations- und Umwelttechnik entwickelt, das heute den Anwendern zur Verfügung steht und das sich kontinuierlich im rauen Baustellenalltag bewährt. Gleichzeitig sind die Hersteller von Baumaschinen stetig damit befasst, ihre Produkte zu verbessern und weiter an die Wünsche und Einsatzzwecke der Nutzer anzupassen. Diese Entwicklung führt aber zwangsläufig auch zu einer zunehmenden Dynamisierung und Unübersichtlichkeit des Marktes für Baumaschinen und Spezialgeräte. Trotz dieser Dynamik gilt die Baumaschinenbranche als weitgehend konservativ und stark kostendeterminiert. Dies hängt vor allem damit zusammen, dass in Baumaschinen große Kapitalwerte gebunden sind, die sich erst über längere Zeiträume amortisieren können. Daher ist es für den Käufer essentiell, eine Maschine zu erwerben, die für den gegebenen Einsatzzweck möglichst zuverlässig und effizient arbeitet, wenige Folgekosten verursacht und einen geringen Wertverlust aufweist. Grundsätzlich ist die potenzielle Entwicklung der Baumaschinentechnik durch drei Zielsysteme determiniert:

Erstens: Der Kundenwunsch und der Kundennutzen

Aus Kundensicht sollen Maschinen und Geräte im Allgemeinen leistungsfähiger, kompakter, anwenderfreundlicher, effektiver, sicherer, smarter, intelligenter oder autonomer und kostengünstiger werden. Dass sich einige dieser Ziele widersprechen ist evident. Mehr Leistung, weniger Verbrauch und gleichzeitig geringerer Anschaffungspreis können nicht ohne weiteres gleichzeitig realisiert werden. Andererseits macht es der technische Fortschritt möglich, dass Maschinen effektiver (z.B. in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch) und gleichzeitig leistungsfähiger (z.B. in Bezug auf die Motorleistung) werden können. Da dafür allerdings auch anspruchsvollere Technik verbaut werden muss, erhöht sich im Allgemeinen der Kaufpreis, aber auch die Ansprüche an Bedienung und Wartung.

Der WL20e von Wacker Neuson
Elektroantriebe mit Potenzial: Der Knicklader WL20e übertrumpfte im bi GaLaBau Vergleichstest sein Dieselpendant bei Traktion und Hubkraft. | Foto: E. Bauer

Zweitens: Die gesetzlichen Vorgaben

Wesentliche gesetzliche Vorgaben für Baumaschinen sind die EU-Maschinenrichtlinie und die EU-Abgasrichtlinien. Beide Richtlinien definieren Standards und Prüfverfahren, die Hersteller durchlaufen müssen, um Maschinen im EU-Raum auf den Markt bringen zu dürfen. Vor allem die Abgasrichtlinie wurde in der Vergangenheit immer wieder heftig diskutiert und stellt die Hersteller vor ernst zu nehmende Herausforderungen. Die aktuelle Abgasstufe IV für Baumaschinen zwingt die Hersteller seit Oktober 2014 dazu, Common-Rail-Dieselmotoren (CRD) zu verbauen. Spätestens mit der für 2019/20 angekündigten Abgasstufe V wird aufgrund der Grenzwerte die Ausrüstung von neuen Kompaktmaschinen mit aufwändigen Abgasbehandlungssystemen erforderlich sein.

Drittens: Der technische Fortschritt

Obgleich die Baumaschinenbranche als tendenziell konservativ und überwiegend kostenorientiert gilt, gibt es immer wieder epochale Neuerungen, die wesentlich auf erweiterten technischen Möglichkeiten beruhen. So hat der neu gegründete niederländische Hersteller Diverto im Jahr 2014 eine Hybridmaschine mit den Merkmalen von Mobilbagger, Radlader und Schlepper auf den Markt gebracht. Die Alleinstellungsmerkmale dieser Maschine sind zum einen die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, die sie für den kommunalen Bereich prädestiniert und zum anderen der Umstand, dass diese Maschine vollständig von außerhalb der Kabine mittels einer RC-Fernsteuerung bedient werden kann. Die besonderen Vorteile dieser Technologie liegen darin, dass der Bediener optimale Sicht auf das Arbeitsgerät (z.B. den Baggerlöffel) hat, dass er weniger Vibrationen ausgesetzt ist und dass das Ein- und Aussteigen aus der Kabine entfällt (Zeitersparnis, Unfallgefahr). Dass das Thema „Fernsteuerung“ zukunftsweisend ist, zeigen auch ähnliche Entwicklungen im Bereich der Verdichtungs- und Pflegetechnik.

der fernsteuerbare QS 100
Innovation aus Holland: Der fernsteuerbare QS 100 vereint die Vorzüge eines Baggers, Laders und Schleppers in einer Maschine. | Foto: Diverto

Antriebstechnologien der Zukunft

Die durch die Abgasnormen induzierte Umstellung der Motorisierung von Baumaschinen auf Commonrail-Technik (CRD) kann ebenfalls unter dem Aspekt des technischen Fortschritts betrachtet werden. So bietet die digitale Steuerung des Motors auch zusätzliche Möglichkeiten der elektronischen Optimierung, wie ESP, „Drive by wire“ oder per Telematik unterstützte Diagnostik. Um Kraftstoffverbrauch und Abgasausstoß zu optimieren, schlagen einige Hersteller den Weg des Hybridantriebs ein. Das bedeutet, ein Verbrennungsmotor arbeitet in seinem Bestpunkt bei optimalem Wirkungsgrad und treibt einen Generator an, dessen erzeugte elektrische Energie unmittelbar nach Bedarf genutzt bzw. in einem Akku zwischengespeichert werden kann. Die Vorteile liegen zum einen in einer besseren Effizienz (Gesamtwirkungsgrad), in besseren Abgaswerten, aber auch in vielfältigen neuen konstruktiven Möglichkeiten, die beispielsweise der Einsatz von elektrischen Radmotoren mit sich bringen würde. So entfallen durch dieses neue Konstruktionsprinzip sämtliche Elemente der Kraftübertragung des Antriebsstrangs, wie hydraulischer Fahrantrieb, Lastschaltgetriebe, Verteilergetriebe, Gelenkwellen sowie Achsen und Differentialgetriebe.
Die vom Gesetzgeber angekündigte Verschärfung der Abgasgrenzwerte für Baumaschinen wird im Partikelbereich voraussichtlich nur noch durch den Einsatz weiterer Zusatztechnologien, wie z.B. Dieselpartikelfilter (DPF) erreicht werden können. Während diese Technologie nach anfänglichen Schwierigkeiten im Pkw-Bereich gut etabliert ist und im Wesentlichen funktioniert, gehen die Hersteller von Baumaschinen davon aus, dass der DPF in diesen Geräten nicht problemlos einsetzbar sein wird. Hinzu kommen die hohen Kosten der Abgasbehandlungssysteme.

Gasantriebe

Propangas wird bei Gabelstaplern, die in abgassensiblen Bereichen (wie Innenräumen) arbeiten, bereits seit Langem als Kraftstoff genutzt. Gasförmige Kohlenwasserstoffe haben sich auch im Automobilbereich in verschiedenen Varianten (LPG, CNG, LNG) als Treibstoff etabliert. Grundsätzlich wäre bei Baumaschinen zur Realisierung von Gasantrieben eine Umstellung des Wirkungsprinzips von Diesel- auf Ottomotor notwendig. Gasantriebe zeichnen sich durch deutlich geringere Abgaswerte in den Parametern Stickoxide, Partikel und Kohlendioxid aus. Gerade der CO2-Ausstoß kann ohne weitere Maßnahmen um ca. 20% reduziert werden. Als möglicher Nachteil ist die Betankung unter Baustellenbedingungen zu sehen.

Die D3-Baggersteuerung in der Anwendung
Digitalisierung nachrüstbar: Eine 3D-Baggersteuerung vereinfacht den Baustellenprozess, wenn der Fahrer entsprechend darauf geschult ist. | Foto: MTS

Wasserstoffantriebe

Im Pkw-Bereich sind 2015 erstmals zwei Hersteller (Hyundai und Toyota) mit serienreifen Wasserstoffantrieben auf den Markt gekommen. Beide Hersteller arbeiten mit Brennstoffzellen, die atomaren Wasserstoff (als Treibstoff) sowie atmosphärischen Sauerstoff zu Wasser oxidieren und dabei Strom erzeugen. Der Wirkungsgrad dieses Prozesses liegt bei 35-60% und somit in einem annähernd vergleichbaren Bereich wie Verbrennungsmotoren. Aus diesem Grund fällt die CO2-Bilanz der Wasserstofftechnologie eher schlechter aus, als bei einem vergleichbaren effizienten Ottomotor. Der eigentliche Antrieb erfolgt über Elektromotoren. Eine Unterstützung durch Speichermedien (Akkus) ist technisch notwendig. Die Betankung mit Flüssigwasserstoff unter Baustellenbedingungen erscheint problematisch.

Elektroantriebe – eine Option für die Zukunft?

Es ist bereits heute festzustellen, dass rein elektrische Antriebe sich sowohl bei den kleineren Maschinenklassen wie Mini- oder Hoflader etablieren (Energiespeicher durch Bleiakku), als auch bei Großgeräten wie Gewinnungsbagger in Steinbrüchen (quasi-stationärer Stromanschluss) Anwendung finden. Die Vorteile eines rein elektrischen Antriebs liegen klar auf der Hand: Sehr hoher Wirkungsgrad, keine Abgase, günstige CO2-Bilanz bei Verwendung von Ökostrom, äußerst geringe Lärmemission, „Betankung“ auch unter Baustellenbedingungen gut vorstellbar, hohe Zukunftsfähigkeit.
Da Kompaktmaschinen - und hier vor allem Lader - im Wesentlichen mobil arbeiten, ist es notwendig, die erforderliche elektrische Antriebsenergie on-board zu speichern. Deshalb hängt die Antwort, ob mobile Arbeitsgeräte im kompakten Bereich ökonomisch und rein elektrisch betrieben werden können, wesentlich von der weiteren Preis- und Kapazitätsentwicklung der Akkutechnologie, aber auch von der Entwicklung der Rohstoffpreise für Gas- und Erdöl ab. Diese Fragen können aus heutiger Sicht nicht abschließend beantwortet werden. Dennoch zeigen die ersten Erfahrungen mit elektrischen Geräten wie Elektrodumper oder Akku-Vibrostampfer, dass sich diese Investitionen in vielfältiger Hinsicht „rechnen“ können.

Thomas Brunsch, Autor des Artikels
Prof. Dr. Thomas Brunsch vertritt seit 2012 die Fachgebiete Technik und Bauabwicklung an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf.

Digitalisierung und Automatisierung von Maschinen

Ein weiterer Megatrend ist die zunehmende Digitalisierung aller Lebensbereiche, die auch vor der Maschinentechnik nicht Halt macht. Beispielhaft sei hier die digitale 3D-Maschinensteuerung genannt. Hierbei werden digitale Geländemodelle (DGM) ohne weitere Zwischenschritte direkt mittels Maschine in das Gelände übertragen. Das heißt, es sind keinerlei vermessungstechnische Vorarbeiten bzw. Aussteckungen mehr notwendig. Sobald das Gerät sich über GPS oder die Totalstation positioniert hat, kann die Übertragung eines eingespeicherten Höhenplans in das Gelände erfolgen. Der Fahrer muss quasi nur noch dafür sorgen, dass er „Material“ vor der Schaufel hat. Die Maschine wird mit diesen Systemen, die beispielsweise von Topcon, Leica oder Trimble angeboten werden, zu einer Art 3D-Drucker für Außenanlagen.
Auch innovative kleinere Hersteller von Zusatzgeräten (MTS) bieten bereits heute nachrüstbare 3D-Baggersteuerungen an, die es ebenfalls ermöglichen, digitale Geländemodelle direkt, d.h. ohne jede Aussteckung, mit Hilfe von Baggern in die Örtlichkeit umzusetzen. Im Baggerbereich handelt es sich dabei um Nachführsysteme, d.h. der Fahrer erhält Informationen über einen Bildschirm, die ihm die Lage seines Arbeitsgeräts und den Sollwert in Form eines Bezugshorizonts darstellen. Die Bedienung erfolgt weiterhin manuell. Das bedeutet, der Fahrer steuert den Ausleger und erkennt mit Hilfe des Displays, wo sich die Unterkante seines Löffels in Bezug zur Sollhöhe befindet.

Fazit und Ausblick

Das extrem hohe Potenzial digitaler Anwendungen zur Effektivitätssteigerung im Garten- und Landschaftsbau wird sich somit in Zukunft nur nutzen lassen, wenn entsprechend geschulte Mitarbeiter zur Verfügung stehen, die digitale Geländemodelle im Planungs- und Bauprozess handhaben können. Die grundsätzliche Frage, welche Antriebstechnologie in Zukunft die größte Nutzerakzeptanz finden bzw. sich im Baustellenalltag als praktikabel erweisen wird, bleibt bis auf Weiteres offen. Die Hersteller sind auf der Suche nach Auswegen aus der Abgasfalle. Vieles spricht dafür, dass sich zunächst Hybridantriebe und auf längere Sicht rein elektrische Antriebe durchsetzen werden. Dieser Prozess ließe sich erheblich beschleunigen, wenn öffentliche Auftraggeber bei Ausschreibungen verstärkt umweltschonende Maschinen und Geräte nachfragen würden. Auch der Landschaftsbau als Grüne Branche wird künftig in der Pflicht stehen, zu zeigen, wieviel ihm Umweltschutz und Nachhaltigkeit tatsächlich wert sind.