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Mobile Maschinen 5/2018

Mobile Maschinen 5/2018

RADLADER 27 T

RADLADER 27 T EINSATZGEWICHT Das LNG-Konzept für größere Baumaschinen wird zunächst für die Anwendung in einem Radlader bewertet. Hierzu wird als Referenz ein Radlader mit einer Antriebsleistung von 250 kW und einem Dieseltankvolumen von 370 l gewählt. Bei der Ausrüstung mit einer Mehrzweckschaufel entspricht das Maschinengewicht ca. 27 t. Der Wirkungsgrad des Antriebsmotors wird mit 44 % [5] angenommen, seine Auslastung mit einem Faustwert von 70 %. Die sich daraus ergebende mögliche Betriebsdauer der Maschine beträgt etwa 9,3 h. Mit dem Heizwert des Dieselkraftstoffs und der Speicherdichte von Dieseltanksystemen ergibt sich ein Tankenergieinhalt von 13,0 GJ bei einem rechnerischen Tankgewicht von 335 kg. Der Faktor für das Mehrgewicht eines LNG/Diesel-Tanksystems für den Gas-Dieselmotor-(HPDI)-Betrieb im Vergleich zum Dieselsystem beträgt, bei Systemen in der Größenordnung von Nutzfahrzeugtanks, im Mittel etwa 2,9 [4]. Damit ergibt sich für ein LNG/Diesel-Tanksystem für die betrachtete Maschine ein Gewicht von etwa 972 kg, entsprechend einem Gewichtszuwachs von 617 kg bzw. 2,3 %. Würde statt L-Gas H-Gas als Treibstoff genutzt, fiele das Mehrgewicht aufgrund der höheren Speicherdichte um etwa 100 kg geringer aus [5] und entspräche einem Gewichtszuwachs von 1,9 %. Radlader beschleunigen in ihrem Arbeitsprozess sehr häufig, weshalb ein Gewichtszuwachs der Maschine zu erhöhter Beschleunigungsarbeit und damit zu einem höherem Energieverbrauch führen würde. Beim Radlader wäre eine (Teil-)Kompensation des erhöhten Tankleergewichts durch leichtere Gegengewichte deshalb unerlässlich. Die Kapazität des Tanksystems kann aufgrund der möglichen Betriebsdauer nicht ohne eine Anpassung der Betriebsstrategie reduziert werden. Kann die Maschine z. B. in gesetzlich vorgeschriebenen Arbeitspausen des Maschinenführers betankt werden, so wäre bei einer Betankung bei der Hälfte einer 8-stündigen Arbeitsschicht die Halbierung des Kraftstoffvorrates möglich. Dadurch wäre das Mehrgewicht kompensiert. Aufgrund der Gewichtsproblematik des häufig beschleunigenden Radladers scheint eine endgültige Bewertung des LNG-Konzepts für diese Maschinen voreilig zu sein. Bei Ergreifung der genannten Ausgleichsmaßnahmen erscheint ein sinnvoller LNG-Antrieb von Radladern aber möglich. RAUPENBAGGER 25 T-29 T EINSATZGEWICHT Als Beispielmaschine dient hier ein Raupenbagger mit einem Einsatzgewicht von 25 – 29 t, einer Dieseltankkapazität von 520 l und einer Motorleistung von 150 kW. Die Berechnung der Tankgewichte erfolgt analog zu den vorher betrachteten Maschinen und ergibt ein rechnerisches Gewicht des Dieseltanks von 476 kg. Mit der Annahme, dass L-Gas zum Einsatz kommt, beträgt das Gewicht des LNG/ Diesel-Tanksystems etwa 1 380 kg. Der Gewichtszuwachs beträgt dabei 904 kg bzw. 3 bis 3,6 %. Raupenbagger fahren im Betrieb wenig, weshalb eine Steigerung des Maschinengewichts um wenige Prozent unkritisch erscheint. Wird die zusätzliche Rotationsträgheit des Oberwagens aufgrund des schwereren Tanks betrachtet, so muss berücksichtigt werden, dass der Ausleger und das Gegengewicht weiter von der Rotationsachse entfernt liegen als die Kraftstofftanks. Die zusätzliche Rotationsträgheit durch ein erhöhtes Tankgewicht scheint sogar vernachlässigbar, wenn berücksichtigt wird, dass das Gegengewicht der Beispielmaschine mit 4 bzw. 6,75 t angenommen wird. Würde H-Gas als Treibstoff genutzt, fielen die Auswirkungen noch geringer aus als beim Einsatz vom L-Gas. Die Motorauslastung wird wie beim Radlader mit 70 % angenommen, weshalb sich eine theoretische mögliche Betriebsdauer von 21,3 h ergibt. Folglich wäre es möglich, den Kraftstoffvorrat zugunsten eines geringeren Maschinengewichts zu reduzieren. Eine überschlägige Berechnung der möglichen jährlichen Treibhausgasemissionen durch Boil-off bis zur Kompensation des Emissionsvorteils des Gasantriebs für eine Maschine in einem vergleichbaren Einsatz legt nahe, dass auch Boil-off die Emissionsvorteile eines LNG-Antriebes gegenüber einer dieselgetriebenen Maschine nicht (über-)kompensieren würde [5]. Es wird gefolgert, dass der Antrieb von Raupenbaggern mit LNG positiv zu bewerten ist. 02 Zusammenfassung des Mehrgewichts bei Methangetrieben Arbeitsmaschinen TRAKTOR Als Anwendungsfall aus dem Bereich der Landmaschinen wird ein großer Traktor Für perfekten Druck ... und ideale Temperaturen! • Membranspeicher • Blasenspeicher • Kolbenspeicher • Speicher-Systemtechnik • Motorenkühler • Öl-/Luftkühler • Wärmetauscher • Kühler- & Filtersysteme www.hennlich.at www.hennlich-hct.de

ausgewählt. Die Beispielmaschine hat eine (Nenn-)Motorleistung von 294 kW und ein Dieseltankvolumen von 615 l [7]. Der Kraftstoffverbrauch wird grob gemittelt nach [7] mit 45 kg/h entsprechend etwa 37,5 l/h angenommen. Damit ergibt sich eine maximale Betriebsdauer ohne Nachtanken von 16,4 h. Um mit einem HPDI-LNG- System die gleiche Menge Energie mitzuführen und so die gleiche Betriebsdauer erreichen zu können, ergäbe sich auf Basis der obigen Faktoren ein Mehrgewicht von etwa 1 080 kg. Dies entspricht einem Massenzuwachs von knapp 9 %. Ein so hohes Mehrgewicht kann nicht einfach in allen Einsatzfällen akzeptiert werden, da die Maschine sonst u. U. in einen weichen Ackerboden einsinken könnte. Beim Traktor scheint der Einsatz eines LNG-Systems von Kompromissen oder weiteren Überlegungen abzuhängen. Denkbar wären hierbei z. B. eine geänderte Tankstrategie, bei der weniger Treibstoff mitgeführt werden muss oder eine optimierte Gewichtsverteilung. Trotz der erforderlichen weiteren Anstrengungen wäre ein Einsatz eines LNG-Systems bei Großtraktoren aus Emissionssicht besonders attraktiv, da solche Maschinen weit verbreitet sind und einen hohen Energieumsatz aufweisen, der mit entsprechend hohen Emissionen einhergeht. SKIDDER Zuletzt wird das Konzept für Forstmaschinen für die Anwendung in einem Skidder bewertet. Hierfür wird ein Mittelwert aus den Werten von [8] angenommen: Die Beispielmaschine hat eine Motorleistung von 100 kW, ein Tankvolumen von 159 l und bei einer Einsatzmasse von 11 t einen mittleren Kraftstoffverbrauch von 7,3 l/h. Die mögliche Einsatzdauer ergibt sich damit zu rund 21,8 h. Mit dem bereits bekannten Mehrgewichtsfaktor für ein HPDI-System und die Verwendung von L-Gas ergibt sich ein Mehrgewicht von 279 kg, entsprechend etwa 2,5 %. Forstmaschinen dürfen keinen unnötig hohen Bodendruck verursachen, da sie ansonsten den Waldboden beschädigen würden. Daher ist zusätzliches Gewicht für den Skidder zunächst kritisch zu sehen. Eine Gewichtssteigerung um 2,5 % dürfte allerdings als moderat anzusehen sein. Zusätzlich muss der Skidder zur Erfüllung seiner Arbeitsaufgabe regelmäßig Ladeplätze anfahren, die für Lkw erreichbar sind und die mögliche Einsatzdauer ist deutlich länger als eine Arbeitsschicht. Folglich scheint bei Bedarf eine Reduzierung der mitgeführten Kraftstoffmenge möglich, um das Mehrgewicht zu reduzieren, oder auszugleichen. In Summe wird auch der Einsatz von flüssigem Methan in Forstmaschinen, insbesondere in den Transportmaschinen positiv bewertet. ZUSAMMENFASSUNG In diesem Beitrag konnte gezeigt werden das Methan, wenn es nachhaltig gewonnen wurde eine CO 2 -neutrale Alternative zum Diesel darstellen kann. Dazu wurden die am Markt befindlichen Komponenten, um einen flüssigen Methanantrieb zu ermöglichen, vorgestellt und die Methode des morphologischen Kasten angewendet. Aus den verschiedenen Arbeitsbereichen der mobilen Arbeitsmaschinen und deren notwendigen Randbedingungen wurden Konzepte für einzelne Maschinenbeispiele abgeleitet. Die entstehenden Konflikte beim Mehrgewicht oder der Reichweite müssen berücksichtigt werden. Zusätzlich wurde gezeigt, dass viele Konzepte stark von der möglichen Infrastruktur sowie der Gesamtprozessführung abhängen. Die prinzipielle Durchführbarkeit ist allerdings bereits heute gegeben [9]. Literaturverzeichnis: [1] Klimaerwärmung, Handelsblatt, URL – https://www.handelsblatt.com/technik/energieumwelt/klimaerwaermung-rekordanstieg-der-treibhausgas- konzentration/20521282.html?ticket=ST- 5305062-2mn7wghgLeudxgTOXxJF-ap3. Stand: 30 10 2017 [2] Climate Action, European Commission, URL: https://ec.europa.eu/clima/policies/international/ negotiations/paris_de, Stand: 09. 07. 2018 [3] M. Geimer und I. Ays: Nachhaltige Energiekonzepte für mobile Arbeitsmaschinen – in welche Richtung gehen Sie?, Mobile Maschinen, pp. 18-25, 6 2014 [4] L. Weberbeck et. al.: Verflüssigtes Erdgas in mobilen Arbeitsmaschinen, ATZ Offhighway, S. 40 – 46, 2016 [5] L. Weberbeck: Analyse und Vorauslegung einer mit verflüssigtem Erdgas angetriebenen mobilen Arbeitsmaschinen, Masterarbeit am Teilinstitut Mobile Arbeitsmaschinen, Betreuer M. Geimer, Co-Betreuerin I. Ays, Co-Betreuer D.Engelmann, Karlsruhe Institu für Technologie (KIT), Karlsruhe, 2016 [6] T. Ehrhard und A. Widmann: Abgasgesetzgebung Diesel- und Gasmotoren, VDMA Motoren und Systeme, Frankfurt am Main, 2017 [7] John Deere 8400R E23 PowerMix DLG-Prüfbericht 6434, DLG e.V., Groß-Umstadt, 2016 [8] G. Weise und D. Rosenbach: Kraftstoffverbrauch von Forstmaschinen und Einsparpotenziale unter Praxisbedingungen, URL- https://www.lko.at/ media.php?filename=download%3D%2F2013.01.24 %2F1359042868 294491. pdf&rn=Energiefachtag-2013_Weise- Kraftstoffverbrauch%20von%20Forstmaschinen_klein.pdf, Stand: 19.07.2018 [9] I. Ays, D. Engelmann, M. Geimer: Flüssiges Methan als alternativer Energieträger für mobile Arbeitsmaschinen, 6. Fachtagung: Hybride und energieeffiziente Antriebe für mobile Arbeitsmaschinen, KIT Scientific Publishing, Karlsruhe, 2017, 125-143 Wirbieten Ihnen: • Getriebe • Sonderlösungen • Knowhowund • hohe Qualität wie Sie es bereits von uns seit über50Jahren gewohnt sind. Rögelberg-Pumpenverteilergetriebe füreineGroßumschlagmaschine. RögelbergGetriebeGmbH&Co. 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