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Hydraulikspeicher verbessern Wirkungsgrad von Antrieben mobiler Arbeitsmaschinen

25.03.2009
Zur Steigerung des energetischen Wirkungsgrads von Antrieben mobiler Arbeitsmaschinen bieten sich Hydraulikspeicher an. Grund dafür ist die relativ einfache Technik der Energiespeicherung und -entnahme. Außerdem ermöglicht eine hohe Leistungsdichte die Glättung von Leistungsspitzen, so dass man den eigentlichen Antriebsmotor kleiner auslegen kann.

Hybride Antriebskonzepte sind bei weitem keine Modeerscheinung, sondern eine technische Finesse, die aus „normalen“ Antrieben echte Hightech-Lösungen mit wirtschaftlich attraktiven Eigenschaften macht. Im Zuge der Energiediskussion findet nämlich eine starke Konzentration auf neue Antriebskonzepte statt, die allesamt die systematische Energieeinsparung als wirtschaftlich darstellbaren Wettbewerbsvorteil zum Ziel haben.

Nutzfahrzeugbereich hat Vorbildfunktion

Ein gutes Beispiel dafür, wie trendy Hybridantriebe sind, liefern die derzeitigen Aktivitäten im Nutzfahrzeugbereich. So war auf der vergangenen 62. Fachmesse IAA Nutzfahrzeuge in Hannover kaum ein Hersteller oder Zulieferer vertreten, der sich nicht mit dem Thema beschäftigt hat. Obwohl die elektrische Antriebstechnik in der Öffentlichkeit als Mentor der Hybridtechnik angesehen wird, erweist sich die Hydraulik in sehr vielen Anwendungsfällen als der bessere Partner.

Der Grund dafür ist die vergleichsweise einfache Technik zur Energiespeicherung oder -entnahme über Hydraulikspeicher. Die häufigsten Bauarten sind dabei Kolben-, Blasen- und Membranspeicher, die mit Drücken bis 1000 bar oder mehr „aufgeladen“ werden können. Im Vergleich zu elektrischen Energiespeichern wie Lithium-Ionen-Batterien und Doppelschicht-Kondensatoren haben Hydrospeicher demnach eine erheblich höhere Leistungsdichte (kW/kg). Das prädestiniert sie für viele Anwendungen in Bussen, Müllfahrzeugen und anderen mobilen Arbeitsmaschinen. In diesen Anwendungen dient die Speicherhydraulik nicht nur zur Energierückgewinnung, damit können insbesondere Lastspitzen geglättet werden.

Energierückgewinnung mit Blasenspeicher bei Staplern

Aus technischer wie auch wirtschaftlicher Sicht gilt es nämlich zwei grundlegende Vorteile zu nutzen: Hydraulische Speichersysteme liefern die Unterstützung, um die eigentlichen Antriebsmotoren kleiner auslegen zu können. Außerdem sind die Hydraulikspeicher in der Lage, über die Energiespeicherung im Bremsbetrieb oder beim Senken von Lasten den Gesamtenergieverbrauch merklich zu verringern.

Ein typisches Beispiel dafür sind Flurförderzeuge. In diesen mobilen Arbeitsmaschinen, zum Beispiel Gabelstaplern, werden bereits Blasenspeicher zur Energierückgewinnung eingebaut. Wird die Last abgesenkt, lädt sich der Hydraulikspeicher durch das Freiwerden der potenziellen Energie auf. Dieses Energiepotenzial steht dann jederzeit wieder zur Verfügung. Auf diese Weise können bis zu 30% der Hubarbeit als Energie zurückgewonnen und im Endeffekt eingespart werden.

Ein ebenso wichtiges Kriterium für die Entscheidung zum Einbau eines solchen Hybrid-Unterstützungssystems ist die Reduzierung der Motorleistung. Bei einer Staplerapplikation konnte die notwendige Motorleistung beispielsweise um 30% auf etwa 14 kW gesenkt werden. Fazit: Der kleinere Motor erhöht die Wirtschaftlichkeit während der gesamten Laufzeit des Fahrzeugs.

Für den Hersteller bedeutet das eine nahezu kostenneutrale Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit seiner Produkte. Für den Betreiber entsteht ein erheblicher Zusatznutzen, weil nicht nur die Energiekosten gesenkt werden, sondern man auch die Verfügbarkeit der Maschine – bedingt durch längere Nachtank- oder Aufladeintervalle – erhöht. Dieser Mehrfachnutzen wird bei Hydac als Hauptvorteil hybrider Antriebskonzepte auf Basis von Hydraulikspeichern angesehen. Er kommt meist in mobilen Arbeitsmaschinen wie Flurförderzeugen, Baggern, Radladern, Umschlaggeräten und Kranen zum Tragen.

Energieparende Hybridlösung für Schienenfahrzeuge

Aber auch in Schienenfahrzeugen lassen sich Hydrospeicher problemlos einsetzen und folglich Energie einsparen. So werden die im Bremsbetrieb aufgeladenen Hydrospeicher für die geräuscharme Fahrt bei ausgeschaltetem Motor verwendet. Diese Antriebsart bietet sich beispielsweise bei der Ein- und Ausfahrt in Bahnhöfen an. Das Ergebnis ist auch bei dieser Anwendung eine Energieeinsparung.

In Nutzfahrzeugen können Hoch- und Niederdruckspeicher parallel oder seriell zum Antriebsstrang angebracht werden. Über einen speziellen Antriebsstrang oder ein hydrostatisches Getriebe werden sie im Bremsbetrieb geladen. Die gespeicherte Energie lässt sich bei Auftreten von Lastspitzen, wie sie beim Anfahren auftreten, sofort wieder abrufen. Auch in diesem Fall steht die Kraftstoffeinsparung im Vordergrund.

Gleichzeitig werden auf diese Weise die Schadstoffemissionen sowie der Bremsenverschleiß merklich reduziert. Hinzu kommt der Vorteil des hydraulischen Hybrids: Die Fahrzeuge haben aufgrund der hohen Leistungsdichte im Boost-Betrieb unter Umständen ein besseres Beschleunigungsvermögen als elektrische Hybridfahrzeuge.

Leichtbauspeicher mit Standard-Leistungsdaten

Besonders attraktiv für den Einsatz in Nutzfahrzeugen ist der von Hydac neu entwickelte Leichtbauspeicher. Dieser Leichtbau-Blasenspeicher mit einem Nennvolumen von 50 l spart im Vergleich zu Standardspeichern mehr als 60% Gewicht ein. Der gewickelte Speicher besitzt die gleichen Leistungsdaten und Eigenschaften wie der Standardspeicher und ist für den Einsatz in mobilen Applikationen freigegeben. Besonders hervorzuheben ist die große Öffnungsweite auf der Flüssigkeitsseite des Speichers, die jederzeit eine Inspektion oder Entnahme der Blase ermöglicht. Die Speicher sind für weit über 3 Mio. Lastzyklen ausgelegt, was im Prüffeld unter Beweis gestellt wurde.

Weitere Hybridlösungen zeichnen sich derzeit im Bereich der mobilen Baumaschinen ab. Ziel dabei ist es, die Leistung für den Leerhub der Arbeitsbewegungen zu reduzieren und die Energie beim Senken zurückzugewinnen. Zusätzlich zu den hydraulischen Speichern hat Hydac dafür die erforderlichen Ventil- und Zylindersysteme zur Realisierung dieser innovativen Antriebslösungen im Programm.

Hydraulische Unterstützungssysteme bieten sich in der Antriebstechnik für viele Anwendungen an. Grund dafür ist die flexible Auslegung bei vergleichsweise niedrigen Investitions- und Servicekosten. Für die Bereitstellung der gleichen Leistung addieren sich die Kosten bei einer Doppelschicht-Kondensator-Lösung auf rund das Fünffache einer Hydrauliklösung. Bei Lithium-Ionen-Batterien muss heute sogar mit Mehrkosten von nahezu dem Zehnfachen kalkuliert werden.

Hydraulikspeicher zeichnen sich durch große Anwendungsbreite aus

Ein Pluspunkt von Hydraulikspeichern ist auch die große Anwendungsbreite, weil sie sehr kompakt sind und in einem großen Temperaturbereich störungslos arbeiten. Können beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien und Doppelschicht-Kondensatoren nur in einem kleinen Temperaturfenster von 10 bis 25 °C zuverlässig betrieben werden, funktionieren Hydraulikspeicher davon vollkommen unbeeinflusst zwischen –25 und 100 °C – wobei der Temperatureinsatzbereich im Wesentlichen durch die richtige Wahl des Elastomers der Blase beeinflusst wird.

Der gasseitige Wirkungsgrad eines Kolbenspeichers bewegt sich je nach Frequenz und Belastungszyklus beispielsweise in einem Toleranzfeld von 80 bis 95%. Um den maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, muss jeweils der optimale Hydraulikspeicher – Optimierungsparameter sind unter anderem das Speichervolumen, der Vorfülldruck und die Isolation – ausgewählt werden. Welche Werte sich für den jeweiligen konkreten Anwendungsfall ergeben, lässt sich zum Beispiel über das sogenannte Akkumulator-Simulations-Programm (ASP) von Hydac sehr genau ermitteln.

Batterien und Kondensatoren schneiden schlechter ab

Im direkten Vergleich zwischen Doppelschicht-Kondensator, Lithium-Ionen-Batterie und Hydraulikspeicher zeichnet sich folgendes Bild ab: Bezüglich der Leistungsdichte, der Alterung oder des Kapazitätsverlusts, des Temperaturbereichs, der Selbstentladung und der Kosten haben Hydrospeicher eindeutige Vorteile im Vergleich zu den beiden anderen Energiespeichervarianten, die für hybride Antriebslösungen relevant sind.

Die flexible Auslegung und die Möglichkeit, die Energieeinsparung mit Systemverbesserung zu verbinden, macht Hybridantriebe für viele Anwendungsbereiche sehr attraktiv. Das haben die Maschinenhersteller längst erkannt und handeln. Aus mehr als 40 Jahren Praxis weiß man bei Hydac, was Hydraulikspeicher alles leisten können – und dass sich damit innovative energiesparende Antriebskonzepte mit relativ wenig Engineering-Aufwand umsetzen lassen. Verständlich, denn Hydrospeicher übernehmen schon seit Jahrzehnten in der gesamten Industrie anspruchsvolle Aufgaben. Wenn es also um alternative Hybridantriebe geht, hat die Hydraulik ein gewichtiges Wort mitzureden.

Dipl.-Ing. Frank Bauer ist Innovationsmanager bei der Hydac International GmbH in Sulzbach/Saar.

Josef-Martin Kraus | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/konstruktion/antriebsundsteuerungstechnik/articles/176876/

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