Was es braucht, um Baumaschinen zu elektrifizieren

Kraft Punkte

Dieser eine verrückte Trick wird dabei helfen, alles zu elektrisieren! (Hinweis: Es ist Energieeffizienz)

Von Sarah Golden

17. November 2022

Die Bauindustrie trägt maßgeblich zum Klimawandel bei und ist für 20 Prozent der weltweiten Emissionen verantwortlich. Das Problem wird noch größer: Es wird erwartet, dass die Quadratmeterzahl bis 2030 weltweit um 20 Prozent wächst. Um eine Chance auf Netto-Null-Ziele zu haben, muss die Energieintensität im Gebäudesektor in den nächsten zehn Jahren fast fünfmal schneller sinken als bisher nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) in den letzten 10 Jahren.

Der Schlüssel zur Dekarbonisierung des Bauwesens: die Elektrifizierung schwerer Baufahrzeuge.

Während es bereits vollelektrische Kompaktbaufahrzeuge auf dem Markt gibt (denken Sie an einen Gabelstapler in einer Lagerhalle), ist die Elektrifizierung umso schwieriger, je größer die Ausrüstung (Radlader und Bagger) ist.

Im August besuchte ich die Bauschau von Danfoss in Dänemark, wo Ingenieure versuchen, die Mutter vollelektrischer Baumaschinen zu knacken. Während ich dort war, konnte ich einen Blick auf einige Überlegungen werfen, mit denen sich Ingenieure bei der Elektrifizierung von Geräten befassen.

Die Elektrifizierung dieser Maschinen bringt eine ganze Reihe einzigartiger Herausforderungen mit sich. Im Mittelpunkt jeder Herausforderung: Batterien unterscheiden sich stark von Verbrennungsmotoren (ICE).

Der Antrieb elektrischer Baufahrzeuge erfordert viel Strom. Das bedeutet viele Batterien. Und die können sehr teuer sein.

Zum Vergleich: Ein ICE-Radlader, den ich im Danfoss-Werk gesehen habe, kostete insgesamt etwa 150.000 US-Dollar. Das Batteriedisplay, mit dem das Team den Prototyp antreibt, kostete zusätzlich 90.000 US-Dollar. Das ist ein Zuschlag von 60 Prozent zu den Kosten.

Ein nachgerüsteter Radlader im Danfoss-Werk mit entferntem Verbrennungsmotor und an der Rückseite angebrachter 140-Kilowattstunden-Batterieanzeige – etwa doppelt so viel wie bei einem herkömmlichen Elektroauto mit großer Reichweite

Darüber hinaus kann der Prototyp zwischen den Ladevorgängen nicht so viele Stunden wie ein ICE-Pendant betrieben werden. Nach Angaben des Ingenieurteams könnte das Fahrzeug realistischerweise vier Stunden lang arbeiten. Um baustellentauglich zu sein, müsste eine Betriebsdauer von mindestens acht Stunden gewährleistet sein.

„Es geht nicht einfach darum, einen Verbrennungsmotor herauszunehmen und, sagen wir, einen Elektromotor einzubauen“, sagte Casper Olesen, leitender Systemingenieur bei Danfoss Power Solutions. „Es geht darum, die gesamte Maschine neu zu überdenken.“

Der einfachste Weg nach vorn ist die Steigerung der Energieeffizienz. Während geringfügige Effizienzgewinne bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor möglicherweise schwer zu verkaufen waren, führt die Effizienz bei vollelektrischen Geräten zu direkten Einsparungen.

„Technologien werden tatsächlich immer attraktiver, weil Effizienz nicht nur dann einen Unterschied macht, wenn man 10 oder 15 Liter Diesel pro Stunde verbraucht“, sagte Olesen. „Eigentlich lautet die Frage: ‚Kann ich genügend Batterien in das Gerät einbauen, damit ich es für meine Arbeit verwenden kann?‘“

Der Austausch des herkömmlichen Hydrauliksystems und der Wechsel zu einem hocheffizienten System könnten die Laufzeit um ein oder zwei Stunden verlängern. Technologien wie Verstellpumpen und Pumpen mit variabler Drehzahl können Leerlaufverluste reduzieren – Energie, die verbraucht wird, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist.

Andere Designänderungen sind subtil, machen aber insgesamt einen Unterschied. Beispielsweise programmiert das Team die Frontschaufel des Radladers so, dass sie beim Fahren der Maschine standardmäßig einen bestimmten Winkel einnimmt, um den Windwiderstand zu verringern.

Hier lassen sich viele Effizienzgewinne erzielen. Der heutige ICE-Bagger hat beispielsweise nur einen Wirkungsgrad von 30 Prozent, was bedeutet, dass nach Berechnungen von Danfoss 70 Prozent der vom Motor gelieferten Energie verschwendet werden, bevor die Schaufel die Erde berührt. Die Kombination von Elektrifizierung und Effizienz bedeutet, dass nur 25 Prozent des Energieeinsatzes erforderlich sind, um die gleiche Menge Erde zu bewegen.

Ein Beispiel, das das Potenzial für Energieeffizienz und Elektrifizierung in einem konventionellen 16-Tonnen-Bagger von Danfoss verdeutlicht

Der Übergang zu emissionsfreien Baumaschinen erfordert mehr als nur Fahrzeuge. Es erfordert auch die Infrastruktur zum Laden der Geräte.

„Es dauert einige Zeit, von dem, was heute bekannt ist, zu etwas Neuem zu werden, weil man auch das Servicenetzwerk hinter der Infrastruktur aufbauen muss“, sagte Erik Westergaard, Systemingenieur bei Danfoss.

Auf neuen Baustellen ist möglicherweise überhaupt kein Stromanschluss vorhanden – geschweige denn Hochspannungsoptionen.

„Wenn Sie also in der Stadt sind, können Sie möglicherweise einen großen Stromstecker finden und anschließen“, sagte Olesen. „Aber wenn es auf dem Land verteilt ist, muss man auf eine ausreichend große Batteriekapazität achten.“

Von da an sind keine Ladeoptionen perfekt. Betreiber könnten die Maschinen zum Aufladen an einen anderen Ort transportieren oder jeden Tag eine Batteriebank zum Standort bringen, um die Maschinen über Nacht aufzuladen.

Die Klimastrategieorganisation von Danfoss, Project Zero (die meine Reise nach Dänemark bezahlt hat), empfiehlt Partnerschaften, um die Infrastruktur für Elektrofahrzeuge frühzeitig und sorgfältig zu planen. Das Team schlägt vor, Interessenvertreter in die Kommunikation der Vorteile der Reduzierung von Lärm und Luftverschmutzung einzubeziehen, um öffentliche Unterstützung zu gewinnen, und transparente und vorhersehbare kommunale Prozesse einzurichten, um langfristige Signale für die Richtung der Baustandards zu geben. Dies kann verstärkt werden, wenn Kommunen von Unternehmen verlangen, dass sie bei der Teilnahme an öffentlichen Ausschreibungen ihre CO2-Bilanz im Bauwesen offenlegen.

Neue Maschinen erfordern Arbeitskräfte, die wissen, wie man sie bedient.

Heutzutage verfügen Gewerbeimmobilienentwickler über hochspezialisierte ICE-Ingenieure, die die Ausrüstung am Laufen halten. Bei vollelektrischen Fahrzeugen wären für die Projekte hochspezialisierte Leistungselektronik- und Hochspannungsingenieure sowie Servicepersonal erforderlich.

„Es handelt sich also um eine völlig neue technische Abteilung, die aufgebaut werden muss, weil es nicht die gleichen Kompetenzen und Spezialisierungen gibt“, sagte Olesen.

Auch die Batterien erfordern ein neues Wissensset. Für unterschiedliche Batteriechemien gelten unterschiedliche Best Practices – und deren Nichtbeachtung kann zum Ausfall eines Batteriesystems führen. Sie können sie nicht lange voll stehen lassen; Sie können nicht zulassen, dass sie völlig ausgelaugt werden.

„Es gibt also eine ziemlich steile Lernkurve für Gruppen und die Menschen, die sie nutzen“, sagte Westergaard. „Wenn man wirklich möchte, dass die Dinge länger halten, ist etwas mehr Wissen nötig.“

Dies erfordert nicht nur Umschulungen und neue Kompetenzen, sondern auch die Zahl der Arbeitskräfte ist begrenzt, da es sich um neue Maschinen handelt. Die gute Nachricht ist, dass vollelektrische Geräte weniger bewegliche Teile haben – was letztendlich bedeutet, dass weniger Wartung erforderlich ist.

Immobilienentwickler und der Privatsektor können die Nachfrage nach diesen Fähigkeiten signalisieren, indem sie Regeln für die öffentliche Auftragsvergabe festlegen, einschließlich Anforderungen an Fahrzeuge und Maschinen, die in Bauprojekten verwendet werden.

Auch Originalgerätehersteller (OEMs) können hier eine Rolle spielen. Baumaschinenhersteller können dazu beitragen, die Verschiebung der Ressourcen zu kommunizieren, die für die Verwirklichung eines rein elektrischen Fahrzeugs erforderlich sind.

In den Anfängen vollelektrischer Baumaschinen ist die Forderung, komplett elektrisch zu fahren, nicht wirtschaftlich. Es kommt vielmehr von denjenigen, die der Reduzierung von Emissionen, Luftverschmutzung und Lärm Priorität einräumen.

Der Bergbausektor ist ein gutes Beispiel. Die Eliminierung der Luftverschmutzung durch Maschinen könnte den Betrieb verbilligen, wobei einer der größten Kostenfaktoren die Belüftung der Untertagebergwerke ist. Durch den reinen Elektroantrieb entfällt die Notwendigkeit, Abgasemissionen herauszufiltern, was die Gesamtkosten senkt.

Die geringere Luftverschmutzung und der geringere Lärm können sich positiv auf Bauprojekte in Städten auswirken, in denen möglicherweise Lärmschutzverordnungen oder Schadstoffvorschriften gelten. Der öffentliche Sektor kann dazu beitragen, diesen Markt voranzutreiben, indem er in Ausschreibungen CO2-Intensitätsstandards vorschreibt oder Emissionsstandards für alle Bauarbeiten innerhalb einer Gemeinde festlegt.

Entwickler mit Netto-Null-Zielen sind ebenfalls Early Adopters. Der Entwickler Lendlease hat beispielsweise Klimaziele, die sich auch auf den Bausektor erstrecken. Das bedeutet, dass das Team diese Herausforderungen bei vollelektrischen Fahrzeugen meistert – und erneuerbaren Diesel verwendet, wenn vollelektrische Alternativen noch nicht bereit sind.

Letztlich können alle im Baugewerbe tätigen Organisationen dazu beitragen, die Entwicklung voranzutreiben, indem sie die Entwickler einfach dazu ermutigen, alle Emissionen zu berücksichtigen. Auch wenn die Schwierigkeiten beim Erreichen einer Netto-Null-Bauweise groß erscheinen mögen, verfügt der Sektor über ein enormes, ungenutztes Energieeffizienzpotenzial, das zu erheblichen Emissionsreduzierungen führen kann – und uns auf den Weg zur Netto-Null-Bauweise bringen kann.

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