Baumaschinenhersteller investieren in Akkutechnologie

Einer der ersten komplett elektrisch angetriebenen Radlader auf dem Markt ist der mit dem bauma Innovationspreis prämierte Kramer 5055e.Foto: Kramer

Was sich allmählich bei den Baugeräten etabliert hat, setzt sich mehr und mehr auch bei den Kompaktmaschinen durch: die Umstellung auf elektrischen Antrieb. Bereits auf der bauma 2016 wurden erste akkubetriebe Maschinen vorgestellt, auf der diesjährigen bauma wird das Angebot an E-Maschinen noch breiter ausfallen.

Dank technischer Forschung werden die Speichermedien immer weiter entwickelt und verbessern sich hin ihrer Leistung. Nach einer Studie des Fraunhofer Instituts für System- und Innovationsforschung in Karlsruhe werden die neuen Speichermedien für elektrische Energie innerhalb der kommenden Jahre immer leistungsfähiger. Viele Baumaschinen werden noch mit Blei-Säure-Batterien angetrieben, gängig sind mittlerweile Lithium-Ionen-Batterien, deren Leistungsfähigkeit sich verdoppeln sollen, bis 2020 sogar verdreifachen. Die Forschung arbeitet derzeit vor allem auch an alternativen Materialien.

Elektromobilität als Vorantreiber

Deutsche und US-Wissenschaftler arbeiten gegenwärtig forciert an der Weiterentwicklung der Akkus. In der Automobilherstellung wurde vom US-Hersteller Fisker eine Batterie vorgestellt, die bereits das 2,5-fache an Energiedichte gegenüber herkömmlichen Akkus aufweist und bereits nach einer Minute Ladezeit für 800 km Reichweite mit einem Pkw ausreichen soll. In Deutschland ist es das Unternehmen Mercedes Benz, das mit den ersten GLC F-CELL Fahrzeugen das emissionsfreie Fahren weiter voranbringt. Hier ist die weltweit einmalige Kombination von Brennstoffzellen- und Batterieantrieb umgesetzt, die via Plug-in-Technologie extern aufgeladen wird. Zu den ersten Kunden im deutschen Markt zählen neben verschiedenen Ministerien auf Bundes- und Landesebene, der Nationalen Organisation Wasserstoff (NOW) und H2 Mobility auch die Deutsche Bahn. Daimler zählt zu den Pionieren des alternativen Antriebs und seine Forscher arbeiten seit den 1980er-Jahren an der Brennstoffzellen-Technologie. Mercedes-Benz stellte 1994 das erste Brennstoffzellenfahrzeug der Weltöffentlichkeit vor: der NECAR 1. Viele weitere Fahrzeuge folgten, bis heute haben die Brennstoffzellenfahrzeuge von Mercedes-Benz, darunter auch die B-Klasse F-CELL, insgesamt über 18 Millionen km zurückgelegt.

Weiterentwicklung der Akkutechnologie

Intensive Forschung in der Batterietechnologie erfolgt in Fraunhofer-Instituten, wie vor allem das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden, das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal und das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT in Itzehoe. Zur Verbesserung der Batterietechnik untersuchen die Forscher neue Materialien oder neue Kombinationen vorhandener Materialien, wie zum Beispiel für Natrium-Schwefel- oder Lithium-Schwefel-Batterien. Diese Rohstoffe sind leicht verfügbar und preiswert. Große Hoffnungen setzen die Experten auch auf Metall-Luft-Batterien. Eine große Herausforderung in der Batterietechnologie ist derzeit noch die Ladezeit. Während das Auftanken eines Autos in Minutenschnelle erfolgt, dauert das Aufladen eines Akkus noch Stunden.

Unterstützt werden die Forschungsvorhaben der Fraunhofer-Gesellschaft von der Europäischen Union sowie der Bundesregierung und einzelnen Landesregierungen in Deutschland. So wurde bereits 2011 am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg der Grundstein für ein Forschungs- und Entwicklungszentrum für Elektromobilität Bayern gelegt, gefördert vom Bayerischen Wirtschaftsministerium. Darüber hinaus wird das bayerische Netzwerk Elektromobilität ausgebaut, um weitere Aspekte der Elektromobilität ganzheitlich anzugehen. Trotz großer Motivation bleibt das Fazit noch bescheiden: Die perfekte Universalbatterie, die alles zugleich ist, leistungsfähig, klein, leicht, sicher, umweltfreundlich und kostengünstig, wird es vorerst nicht geben.

Akkus, die für den jeweiligen Einsatzzweck optimiert, alltagstauglich und wirtschaftlich sind, bleiben noch Zukunftsmusik. Professor Dr. Jens Tübke, Produktbereichsleiter "Angewandte Elektrochemie" am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT und Sprecher der Fraunhofer-Allianz Batterien lässt ebenfalls noch eine gewisse Skepsis durchklingen: "Die Superbatterie ist noch nicht in Sicht". Dennoch laufen derzeit spannende Forschungsprojekte. Vielversprechend sind zum Beispiel aktuelle Arbeiten zu Lithium-Schwefel-Akkus. Diese haben den Vorteil, deutlich leichter als herkömmliche Energiespeicher zu sein.

Eine Akkuladung reicht für einen Arbeitseinsatz bis zu fünf Stunden aus.Foto: Wacker Neuson

Neben den Elektrodenmaterialien Schwefel, Lithium oder auch Silizium-Kohlenstoffkompositen forscht das Fraunhofer-Institut auch an Kohlenstoff-Nanomaterialien, die eine wesentlich bessere Stromleitfähigkeit haben und Batterien effizienter arbeiten lassen. Im Projekt "EMBATT", an dem das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden und Partnern arbeiten, geht es neben der Materialentwicklung auch um ein verbessertes Zellendesign, womit Elektroautos dank des Einsatzes von Festkörperbatterien Reichweiten von bis zu 1000 km erreichen können.

Ein weiteres Ziel ist die dauerhafte Haltbarkeit von Batterien. Denn mit den heute produzierten E-Autos wird man vielleicht in 15 oder 20 Jahre noch fahren. Das Ziel der Fraunhofer-Forscher ist daher auch, Batterien zu entwickeln, die nicht nur technisch hervorragend sind, sondern auch einen wirtschaftlichen Betrieb zulassen, was zu den Parametern Energiedichte, Ladezyklus oder Lebensdauer hinzukommt. Der Durchbruch zur Superbatterie lässt wohl noch auf sich warten, in fünf Jahren werden es eher noch ähnliche Modelle wie heute sein, die aber kostengünstiger und besser zu handeln sind. Diese Batterien werden auch sicherer sein und Ladestand sowie Betriebsdauer werden sich verbessern.

Noch ist die Lithium-Ionen-Technik vorherrschend. Leistungsfähige Akkus auf Lithium-Ionen-Basis haben den Markt maßgeblich um die Jahrtausendwende erobert, eine Sättigung des Marktes ist seit etwa 2010 zu beobachten, wie Jens Tübke erklärt. Ausgereift ist die Technologie allerdings noch nicht. Denn großformatige Zellen gibt es erst seit wenigen Jahren. Und wie wird die Batterie in zehn Jahren aussehen, was wird sie leisten? Auch wenn gegenwärtig an alternativen Materialien geforscht wird, werden wir in den nächsten zehn bis 15 Jahren vermutlich noch mit sehr ähnlichen Materialien wie heute arbeiten. Allerdings wird sich die Leistung durch neue Verfahrenstechniken verbessern.

Festkörperakkus

Ein weiteres Forschungsprojekt der Fraunhofer-Institute ist die Entwicklung von Festkörperakkus. Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung in Würzburg will bis September 2020 einen massentauglichen Festkörperakku auf Lithium-Basis vorstellen, der eine drei Mal höhere Energiedichte als bisher aufweisen soll.

Um die Weiterentwicklung von Festkörperbatterien voranzutreiben, fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) seit September 2018 den Kompetenzcluster "FestBatt" mit insgesamt rund 16Millionen Euro für drei Jahre. Beteiligt daran sind 14 wissenschaftliche Einrichtungen und Universitäten - darunter die Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) und die Philipps-Universität Marburg (UMR), das Helmholtz-Institute und Institute der Fraunhofer-Gesellschaft. Koordiniert wird der Kompetenzcluster durch das Zentrum für Materialforschung (ZfM) der JLU. Ziel ist es, mehr Sicherheit, größere Speicherkapazitäten und kürzere Ladezeiten der Batterien zu erreichen. Die Hoffnung liegt auf den Festkörperbatterien, da sie ohne brennbare flüssige Elektrolyte auskommen. Gegenüber den heute gängigen Lithium-Ionen-Batterien haben sie eine höhere Energiedichte - und damit größere Reichweiten bei der Elektromobilität, womit sich auch die Ladezeiten verkürzen.

Magnesium-Batterien

Ganz neu im Gespräch sind Magnesium-Batterien, die nochmals leistungsfähiger sein werden als die Lithium-Ionen-Akkus. Die Magnesium-Akkus sollen bis zu 400 W/kg gegenüber 250 W/kg bei den Lithium-Ionen-Akkus leisten. Aber auch hier kämpfen die Wissenschaftler mit vielen Herausforderungen, wie am Helmholtz-Institute Ulm, einem der führenden Batterieforschungszentren, unter der Leitung von Professor Dr. Maximilian Fichtner. Der Vorteil beim Magnesium ist dessen Zweiwertigkeit, es kann also zwei Elektronen pro Atom abgeben, gegenüber nur einem Elektron beim Lithium. Das erhöht die Speicherkapazität des Magnesium-Akkus und damit dessen Leistungsstärke. Ein weiterer Vorteil liegt in der Häufigkeit des Vorkommens von Magnesium, die 3000-mal so hoch ist als die von Lithium. Anwendungen werden momentan bei stationären Einrichtungen wie Hausspeicher angedacht, aber auch Elektrobusse sind als künftige Antriebsobjekte denkbar. Maximilian Fichtner ist allerdings noch skeptisch, was die Anwendung im Baumaschinenbereich betrifft: "Die Magnesiumbatterien sind im Augenblick noch im Forschungsstadium und es ist nicht zu erwarten, dass wir in den nächsten drei Jahren den Stand der Li-Ionenbatterie nach 40-jähriger Entwicklungszeit erreichen. Es müssen noch Zyklenlebensdauer und der Wirkungsgrad verbessert werden, bevor man einen Vergleich real existierender Batteriesysteme machen kann. Von ihren Grundeigenschaften, wie sicher, klein und kostengünstig, könnte die Magnesium-Batterie durchaus für Baumaschinen geeignet sein."

Erste vollelektrische Radlader

Neben der Schonung der Umwelt durch emissionsfreies Arbeiten liegt der große Vorteil der elektrobetriebenen Maschinen im niedrigen Geräuschpegel. Besonders in städtischen Gebieten, in der Nähe von Krankenhäusern oder in Kurorten sind die leisen Maschinen von großem Gewinn. Zudem fallen die Wartungskosten geringer aus als bei herkömmlichen Maschinen, weil die Elektromotoren weitgehend verschleißfrei arbeiten.

Bereits seit April 2017 ist der vollelektrische Multifunktionslader e5 von Avant Tecno auf dem Markt.Foto: Avant Tecno

Vorreiter im Elektroantrieb bei den Baumaschinenunternehmen sind Wacker Neuson und Kramer. Auf der bauma 2019 werden beide Unternehmen ihre neuen elektrobetriebenen Maschinen und Geräte auf einem "zero emission-Boulevard" auf dem gemeinsamen Messestand zeigen. Wacker Neuson hat bereits bei zahlreichen Geräten den Akkuantrieb eingeführt: bei Akkustampfern, Akkuplatten, Elektro-Radladern, Elektro-Dumpern und Elektro-Minibaggern.

Der erste komplett elektrisch angetriebene Radlader auf dem Markt ist der 2016 mit dem bauma-Innovationspreis ausgezeichnete Kompaktlader 5055e von Kramer. Der Fahrantrieb und die Arbeitshydraulik der allradgelenkten Maschine werden von jeweils einem Elektromotor angetrieben, wobei der Motor für die Arbeitshydraulik immer nur so viel Kraft liefert, wie gerade gebraucht wird. Leistungsparameter, Geländegängigkeit und Bedienkomfort entsprechen dem dieselgetriebenen Modell. Wacker Neuson hat mit dem knickgelenkten Radlader WL20e einen ersten E-Radlader auf den Markt gebracht.

Die Umsetzung des Elektroantriebs hat bei den Baumaschinen noch etwas länger auf sich warten lassen, als bei den Baugeräten, da es fraglich war, wie lange eine Maschine mit Akku im Einsatz sein kann. Mittlerweile haben sich aufgrund der Leistungsverbesserung die Arbeitszeiten mit Akkus erheblich verbessert. Je nach Einsatzgebiet und Auslastung des 5055e und des WL20e reicht eine Akkuladung für einen Arbeitseinsatz von bis zu 5 Std., mit Pausen für einen ganzen Arbeitstag. Die Ladezeit der Maschine beträgt zwischen 3 und 6 Std., so dass die Maschine in der Nacht aufgeladen werden kann. Noch wird der Lader mit einer Blei-Säure-Batterie angetrieben. Beim WL20e ist die neue AGM Batterietechnologie (Absorbent Glass Matt) bereits im Einsatz: Sie erlaubt flexible Zwischenladungen mit höheren Leistungsströmen und einer verbesserten Leistungsaufnahme.

In der technischen Ausstattung und den Leistungsdaten entsprechen die elektrisch betriebenen Maschinen ihren benzinbetriebenen Geschwistern. Der knickgelenkte Radlader WL20e hat ein Betriebsgewicht von 2350 kg und einen Schaufelinhalt von 0,20 m³. Die Hydraulikölmenge umfasst 37 l bei einem Hydraulik-Arbeitsdruck von 225 bar und einer Fördermenge von 32 l/min. An Fahrgeschwindigkeit erreicht der WL20e 15 km/h.

Der erste allradgelenkte vollelektrisch betriebene Radlader, der 5055e von Kramer, gestattet mit seinen kompakten Maßen und der Allradlenkung eine große Wendigkeit auf dem Baugelände. Der Elektromotor gewährleistet einen guten Antrieb bei gleichzeitigen ökologischen Vorteilen, wie Emissionsfreiheit sowie geringem Lärmpegel. Der 5055e hat einen Schaufelinhalt von 0,65 m³ bei einem Betriebsgewicht von 4150 kg. Bei einem Drehmoment von 220 Nm (0-1200 1/min) erreicht der Lader eine Geschwindigkeit bis zu 16 km/h.

Dank Zusatzhydraulik arbeitet der e5 auch mit einer großen Anbaugerätepalette.Foto: Avant Tecno

Die niedrige Lärmbelästigung hat den technischen Direktor des Krankenhauses in Sterzing veranlasst, den 5055e auf dem Krankenhausgelände einzusetzen. Bewährt hatte sich bisher bereits der benzinbetriebene 5055. Die Installation von zwei Elektromotoren, einer für die Service-Hydraulikanlage und einer für die Traktion, ermöglicht es, die Stromversorgung entsprechend den Aufgaben anzupassen und den maximalen Energieverbrauch zu begrenzen. Die Batterie erlaubt dem Radlader eine Einsatzzeit von bis zu 5 Std. Der 5055e kann nun auch Arbeiten, wie zum Beispiel die Schneeräumung, nachts ausführen, ohne die Patienten zu stören.

Technische Fähigkeiten wie traditionell betriebene Modelle

Bereits seit April 2017 auf dem Markt ist der vollelektrische Multifunktionslader e5 von Avant Tecno. Der Lader verfügt über die gleichen technischen Fähigkeiten wie die traditionell betriebenen Modelle und arbeitet mit zwei Elektromotoren: einen zum Antrieb der Maschine und einen für den Auslegerbetrieb des Laders und die Zusatzhydraulik. Die Betriebszeit des Avant e5 ist nach Herstellerangaben abhängig von der Art der Arbeit, die er ausführt. Innerhalb von 5 Std. ist der Akku voll aufgeladen. 80 Prozent der Ladung erreicht er in 3 Std. Der Multifunktionslader kann an jedem 220 V/16 A-Anschluss seine Batterie aufladen. Der 1590 kg schwere batteriebetriebene elektrische Multifunktionslader ermöglicht Null-Emission und einen minimalen Geräuschpegel. Mit einer Blei-Säure-Batterie und ausgerüstet mit Zusatzhydraulik arbeitet der e5 auch mit einer großen Anbaugerätepalette, die für die e-Serie angepasst wurde. Die 1130 mm breite Maschine läuft mit hydrostatischem Allradantrieb und schafft einen Wenderadius von 995 beziehungsweise 2050 mm (innen/außen). Die maximale Hubhöhe liegt bei 2800mm, die maximale Hubkraft bei 900 kg und die Fahrgeschwindigkeit bei 10 km/h.

Auch die Bagger rüsten um

Bei den Minibaggern hat sich ebenfalls etwas getan. Bobcat hat mit dem E10 eine elektrische Version des gleichnamigen Mikrobaggers in 2017 auf den Markt gebracht. Der Eintonner arbeitet schadstofffrei und schont seine Umgebung mit einem niedrigen Geräuschpegel. Der Emissions-Schalldruckpegel am Arbeitsplatz beträgt 64 dB(A). Der 1176 kg schwere Minibagger E10e basiert auf dem Minibagger E10 ZTS und auf dem Design des dieselbetriebenen 1-Tonnen-Minibaggers E10. Der E10 wird nun als E10z bezeichnet, da es sich um einen ZTS-Minibagger handelt. Der neue E10 ist in Kurzheckbauweise gebaut und hat die gleichen Außenmaße wie das Standardmodell E10/E10z.

Der Bobcat E10e ist die elektrische Version des gleichnamigen Mikrobaggers E10 mit einer Tonne Betriebsgewicht.Foto: Bobcat

Alle Systeme und Komponenten des E10e wurden zudem für den Einsatz in rauen Umgebungen optimiert. Das elektrohydraulische Antriebsstrangsystem nutzt die Fähigkeiten des Elektromotors voll aus und alle Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs sind gemäß den Anforderungen an die Robustheit von Baumaschinen ausgelegt. Mithilfe eines externen Schnellladers kann der E10e bei normalen Arbeitspausen einen ganzen Arbeitstag, d. h. bis zu 8 Std., lang betrieben und der Lithium-Ionen-Akku kann innerhalb von 2,4 Std. vollständig aufgeladen werden. Der Unterwagen des Elektrobaggers lässt sich auf eine Breite von 1100 mm ausfahren, was für eine hohe Standfestigkeit sorgt.

Im Baggersegment stellt Wacker Neuson auf der bauma den neuen vollelektrischen Zero Tail-Minibagger EZ17e vor. Dieser kann dank eines intelligenten Lademanagements batteriebetrieben eingesetzt oder am Netz angeschlossen betrieben werden. Das Aufladen kann sogar während des Einsatzes erfolgen. Der 1,7 t Elektro-Bagger wird mit neuester Lithium-Ionen Technologie betrieben, die bereits seit Jahren von Wacker Neuson eingesetzt und stets weiterentwickelt wird und sich durch eine besonders hohe Lebensdauer auszeichnet. So bleibt der vollelektrische Bagger einen ganzen Arbeitstag einsatzbereit. Eine Haushaltssteckdose reicht aus, um den Akku über Nacht aufzuladen, die Schnellladung über Starkstrom in 4 Std. ist ebenso möglich. Die Zero Tail-Form, also ohne Hecküberstand, macht den Bagger zu einer wendigen Maschine auch in engen Gartenbaustellenbereichen oder in der Nähe von Gartenmauern. Das Heck des Elektrobaggers ragt zu keinem Zeitpunkt über den Unterwagen hinaus.

Weitere Firmen ziehen nach

Weitere Baumaschinenhersteller investieren ebenfalls in die Entwicklung von elektrisch betriebenen Maschinen. Volvo plant in Mitte 2020 die Markteinführung von elektrischen Baumaschinen, darunter die Radlader L20 bis L28, die auf der diesjährigen bauma erstmals vorgestellt werden. Außerdem steht Mitte 2020 die Markteinführung der elektrisch betriebenen Reihe an Kompaktbaggern EC15 bis EC27 an.

Motivation für die Schweden waren insbesondere Kundengespräche, so dass Volvo sukzessive die Elektromobilität in allen Geschäftsbereichen durchsetzen will. Zwar ist bei den größeren Maschinen der Dieselantrieb noch unverzichtbar, aber für die kleineren Maschinen und Geräte soll der Elektroantrieb weiter entwickelt und voran gebracht werden. Caterpillar wird auf der bauma zwei Prototypen mit Akkuantrieb vorstellen: einen kompakten Lader und einen Kettenbagger, sowie einen elektrischen Zeppelin Umschlagbagger mit Kabelversorgung.

Relevante Anbieter zum Thema „Bagger und Lader“

Schäffer Maschinenfabrik GmbH

59597 Erwitte, Deutschland

AVANT TECNO Deutschland GmbH

64859 Eppertshausen, Deutschland

Rototilt GmbH

93057 Regensburg, Deutschland

Wacker Neuson SE

80809 München, Deutschland

Die Anbieterprofile sind ein Angebot von llvz.de