Hydraulische oder elektrische Hybride für mobile Arbeitsmaschinen und Nutzfahrzeuge

Heute sollen nicht nur Personenfahrzeuge, sondern auch mobile Arbeitsgeräte und Nutzfahrzeuge mit wenig Treibstoff auskommen und entsprechend gute Abgaswerte vorweisen. Hybridtechnologien sind daher auch im Bereich der Arbeitsmaschinen ein hochaktuelles Thema.

Schon seit einiger Zeit beschäftigen sich Forscher, Maschinenhersteller und Nutzfahrzeugtester weltweit mit den Möglichkeiten hybrider Technologien. Die Vorteile, die das bereits bei Personenfahrzeugen bringt, sollen künftig auch für mobile Arbeitsmaschinen vermehrt genutzt werden.

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Kraftstoff wird langfristig immer teurer

Auch wenn der Ölpreis kurzfristig sinkt, wird er auf Dauer immer weiter ansteigen. Denn Öl ist als Rohstoff nur in begrenzter Menge verfügbar. Auch die Entwicklung neuer Technologien zum Ausbeuten der letzten Ölreserven ändert nichts an der Tatsache, dass der Mensch das Rohöl seines Planeten viel schneller verbraucht, als es sich neu bilden kann – denn dafür sind ganze Zeitalter notwendig.

Es ist also ein wichtiges Grundanliegen der Menschheit, vor allem der westlichen Welt, Energie zu sparen und für die gleiche Leistung weniger Kraftstoff zu verbrauchen als vorher. Weniger Treibstoff bedeutet zudem weniger Abgase – ebenfalls eine wichtige Mission, um die Umweltverschmutzung zu reduzieren und das Klima bestmöglich zu schonen.

Für Unternehmen bedeutet ein kraftstoff- und emissionssparender Fuhr- und Maschinenpark eine grundsätzlich niedrigere TCO (Total Cost of Ownership) und einen umweltfreundlicheren und damit attraktiveren Betrieb – egal, ob der Ölpreis gerade steigt oder sinkt.

Was bietet die Hybridtechnologie für mobile Arbeitsmaschinen?

Hybridfahrzeuge und -maschinen kombinieren mehrere (üblicherweise zwei) Arten von Energie, was den Antrieb effizienter macht. Gängig ist etwa die Kombination von Verbrennungs- und Elektromotor. Das Fahrzeug oder Gerät kann dann auf verschiedene Arten betrieben werden – entweder durch den von der Hybridtechnologie unterstützten Verbrennungsmotor oder rein elektrisch als sogenannter elektrischer Vollhybrid. Der rein elektrische Betrieb ist allerdings meist nur über kurze Distanzen und/oder mit geringerer Maximalleistung möglich – nach wie vor lässt sich mehr Energie in einen Benzintank packen als in eine Batterie oder einen Akku derselben Grösse.

Ausser elektrischen gibt es auch hydraulische Hybride. Jedes der beiden Systeme hat seine Vorteile, so dass es schwer ist, einem ganz klar den Vorzug zu geben. Wer sich als künftiger Betreiber oder Hersteller für eine Hybridvariante entscheiden will, sollte sich beim Vergleich sowohl an den Möglichkeiten des Beschaffungsmarkts als auch an den konkreten Ansprüchen und Arbeitsfeldern der potenziellen Abnehmer und Nutzer orientieren.

Die Komponenten elektrischer und hydraulischer Hybride

Grundsätzlich sind sich ein hydraulischer und ein elektrischer Hybrid im Aufbau ähnlich. Als wesentliche Elemente benötigen beide einen Antrieb und eine Antriebssteuerung, einen Speicher und eine Speichersteuerung, eine Hybridstrategie zum entsprechenden Aufteilen der Leistung zwischen Verbrennungsmotor und alternativen Antrieb sowie die notwendigen Verbindungselemente. Bei den Komponenten gibt es jedoch Unterschiede.

Der hydraulische Hybrid stellt die Leistung durch eine hydraulische Verstelleinheit bereit, in der Regel durch einen Hydraulikzylinder bzw. Axialkolben. Als Speicher fungieren Hydraulikspeicher (Flüssigkeitsbehälter) für Hoch- und Niederdruck. Der Ölfluss im Betrieb muss unter hohen Drücken (200 Bar oder mehr) ablaufen. Beim Elektrohybrid erfolgt die Leistungsbereitstellung durch eine Elektromaschine, und der Speicher ist ein Akku bzw. die Batterie. Das elektrische System muss so ausgelegt sein, dass es mit Stromspannungen von 200 Volt oder mehr problemlos umgehen kann.

Sogenannte Hybridsysteme in Parallelstruktur verbinden die Verbrennungsmaschine über einen zusätzlichen Antriebsmotor mit eigenem Speicher mit dem mechanischen Antriebsstrang. Das Hybridsystem kann, zum Beispiel bei Baumaschinen, zusätzlich eine Arbeitseinheit unterstützen.

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Bei dieser Technik ist es dem System möglich, überschüssige Energie zu speichern und bei Bedarf gezielt aus dem Speicher zu entnehmen, um den Verbrennungsmotor zu entlasten oder zu unterstützen.

Arbeits- und Leistungsunterschiede zwischen elektrischen und hydraulischen Hybriden

Um den wichtigsten Unterschied zwischen Elektro- und Hydraulikhybriden erklären zu können, muss man zuerst die zwei Begriffe kennen, in denen er sich ausdrückt: Energiedichte und Leistungsdichte. Der folgende Exkurs in die Physik ist von einem Physiklaien für andere geschrieben und daher kurz und mit Sicherheit weder wissenschaftlich noch vollständig. Zum Glück lässt sich der Sachverhalt auch intuitiv bzw. durch praktische Erfahrung verstehen.

Exkurs: Energiedichte und Leistungsdichte eines Speichersystems

Die Energiedichte eines Speichers, etwa einer Batterie, gibt an, wie viel Energie der Speicher pro Gewicht oder Volumen speichern kann. Die gebräuchlichen Einheiten dafür sind kWh/kg (Kilowattstunden pro Kilogramm) und kWh/l (Kilowattstunden pro Liter).

Beim Vergleich von Batterie- und Akkusystemen gilt die Energiedichte als wichtigster Faktor, weil sie sich ganz direkt auf das Gewicht und damit Leistung und Verbrauch des Fahrzeugs oder Arbeitsgeräts auswirkt. Ein Speicher mit höherer Energiedichte ist bei gleicher Kapazität leichter und kleiner.

Die Leistungsdichte gibt dagegen an, wie viel Leistung pro Gewicht (W/kg) oder Volumen (W/l) der Speicher abgeben kann, also wieviel beispielsweise bzw. die Verbraucher entnehmen können. Je höher die leistungsdichte, desto höher sind zum Beispiel die Beschleunigung oder Maximalgeschwindigkeit eines Fahrzeugs.

Die Systemeigenschaften machen den Hauptunterschied

Wie schon im ersten Teil dieser Serie erklärt, ist der grösste Vorteil der Hydraulik die gewaltige Kraft, die dabei erzeugt wird und sehr präzise übertragen und eingesetzt werden kann. Hydraulikhybride haben eine hohe Leistungsdichte bei vergleichsweise niedriger Energiedichte. Elektrohybride hingegen bieten bei hoher Energiedichte eine niedrige Leistungsdichte. So kann eine Elektrobatterie bei geringer Leistung über längere Zeiträume hinweg ausreichend Energie für einen Gabelstapler oder ein Lieferfahrzeug im Kurzstreckenbetrieb liefern.

Antriebsleistung bzw. Drehmoment eines hydraulischen Hybrids liefert die Verbrennungsmaschine. Der in den Antriebsstrang integrierte Hydromotor bezieht seine Energie aus einem mit komprimiertem Öl und Gas gefüllten Druckspeicher. Wenn das Gas sich ausdehnt, treibt es damit das Hydrauliköl durch den Hydromotor in einen Niederdruckspeicher, den Auffangbehälter.

Ein gewisser Teil der Bewegungsenergie kann beim Bremsen zurückgewonnen werden. Für diese sogenannte Rekuperation pumpt eine Pumpe im Antriebsstrang das Öl aus dem Auffangbehälter zurück in den Druckspeicher, wobei die dort sitzende Gasblase erneut komprimiert wird. In der Regel kann dasselbe hydrostatische Aggregat im Antriebsstrang als Motor und als Pumpe verwendet werden.

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Fazit: Sowohl Elektro- als auch Hydraulikhybride erreichen bessere Abgaswerte und brauchen weniger Treibstoff als Fahrzeuge und mobile Arbeitsmaschinen mit konventionellen Verbrennungsmotoren. Die Rückgewinnung kinetischer Energie beim Bremsvorgang verbessert die Energieeffizienz zusätzlich und sorgt zudem für längere Lebensdauer der Bremsen.

 

Oberstes Bild: © ID1974 – fotolia.com