Dr.-Ing. Carl Hagemeyer, Geschäftsführer KLEMM Bohrtechnik GmbH © Klemm

- Antriebe mit Elektromotoren, oft in Kombination mit einem elektrischen Batteriespeicher.
- Brennstoffzellen-Aggregate, die Wasserstoff als Brennstoff nutzen, um Elektrizität zu erzeugen. Als Emissionsprodukt entsteht Wasser. Im Bereich der Baumaschinen ist diese Technologie noch Gegenstand von Forschung und Entwicklung [2].
- Wasserstoff-Verbrennungsmotoren, bei denen Wasserstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt und dort mit Luft gemischt wird. Bei der Verbrennung entstehen Wasser und Wärme als Nebenprodukte. Die Umrüstung eines Verbrennungsmotors auf Wasserstoff erfordert jedoch wesentliche Modifikationen. Eine Serienproduktion solcher Motoren ist z.B. für stationäre Stromgeneratoren geplant [3].

Bild 1: Auslegung des Energiemanagements und der Batterie © Klemm Bohrtechnik

Zudem unterscheiden sich mobile Baumaschinen noch durch die Anteile kontinuierlichen oder intermittierenden Leistungsbedarfs sowie hinsichtlich der Möglichkeit der Rekuperation. Die teilweise extremen Betriebsumgebungen sind eine weitere Herausforderung.

Bei der Konzeption eines neuartigen Antriebs muss die Art der Benutzung der jeweiligen Baumaschine somit sehr genau bekannt sein. Es zeigt sich auch, dass eventuell vorhandene elektrische Antriebskonzepte nicht ohne weiteres von einer Baumaschine auf eine andere Art von Baumaschine übertragen werden können. Dies gilt sogar innerhalb einer Gattung von Baumaschinen, wenn sich diese zum Beispiel in ihrer Motorleistung sehr stark unterscheiden.
Die Versorgung einer mobilen Maschine mit elektrischer bzw. regenerativer Energie auf der Baustelle stellt eine weitere Aufgabe dar, dies zeigt sich nicht nur bei hohen elektrischen Leistungen, sondern auch bei der Versorgung mit Wasserstoff.

Untersuchungen an Kelly-Pfahlbohrgeräten ergaben, dass die Effizienz des elektrischen Antriebsstrangs gegenüber dem Dieselantriebstrang erwartungsgemäß wesentlich besser ist. Allerdings ist die Nutzungsdauer im reinen Batteriebetrieb („off-grid“) durch verschiedene Faktoren limitiert. Es sind längere Nachladezeiten zu berücksichtigen, in denen das Bohrgerät nicht genutzt werden kann [4].

Konzept

An die Elektrifizierung des Ankerbohrgeräts KLEMM KR 806-3E wurden mehrere Anforderungen gestellt. Das Bohrgerät sollte ihrem konventionellen Pendant, der KLEMM KR 806-3GS in der Bohrleistung und in den Anwendungsmöglichkeiten ebenbürtig sein. Die Bedienung sollte für den Bohrgeräteführer so einfach wie möglich sein, so dass das gesamte Bedienkonzept (Funkfernsteuerung) beibehalten wurde. Außerdem sollte eine für die Baustelle leicht zu beschaffende Baustromversorgung mit einem Anschluss von max. 125 A / 400 V AC genutzt werden können. Um Entwicklungsrisiken abzusichern, wurde entschieden, im ersten Schritt den bekannten hydraulischen Teil des Antriebsstrangs beizubehalten, inklusive der Load-Sensing-Hydraulikkreise und der hydraulischen Verbraucher (Zylinder, Hydraulikmotoren usw.). Daher sprechen wir von einem elektrohydraulischen Antriebsstrang. Damit erhält der Nutzer die Möglichkeit, vorhandene Bohrsysteme und Komponenten wie Drehantriebe usw. weiter zu nutzen.

Um die Energieversorgung zu berechnen, wurden zunächst die Betriebsdaten einer größeren Anzahl von Ankerbohrgeräten mit gleicher Leistung ausgewertet. Dabei erwies sich die Telemetrie (KLEMM Datalink AIR) als äußerst nützlich. Es wurde festgestellt, dass die Leistungsabnahme bei Ankerbohrgeräten im Leistungsbereich von 160 bis 175 kW im Durchschnitt bei maximal 35% liegt. Dies liegt an der typischen, intermittierenden Arbeitsweise mit Unterbrechungen durch Gestängewechsel, Ankereinbau usw. Über einen längeren Zeitraum beträgt der Leistungsbedarf somit etwa 56 kW.

Ein 400 VAC / 125 A Anschluss kann eine elektrische Leistung von etwa 86 kW liefern. Daher lag es nahe, den restlichen Leistungsbedarf der Maschine bei Leistungsspitzen durch eine Batterie sicherzustellen. Diese Batterie wird automatisch geladen, wenn der Leistungsbedarf 86 kW unterschreitet.

Bild 2: Antriebsstrang des Prototypen im Bau © Klemm

Um die Kapazität dieser Batterie zu dimensionieren, wurden reale Leistungsprofile verschiedener Betriebsphasen mit den rechnerischen Entlade- und Ladeleistungen verschiedener Batteriegrößen sowie verschiedener Stromanschlüsse (125 A, 63 A, 32A) in einer Simulation übereinandergelegt, siehe Bild 1.

Bei einer Batteriekapazität von 140 kWh brutto und einem 125 A - Anschluss sollte eine kontinuierliche Nutzung der Maschine unter normalen Bedingungen problemlos möglich sein, zusätzlich eine off-grid Benutzungsdauer von circa 2 bis 3 Stunden. Weil die Entladeleistung der Batterie ausreichend hoch ist, sind im off-grid-Betrieb nicht nur Verlade-, Fahr- und Rangiervorgänge möglich, sondern sämtliche Bohrfunktionen stehen mit maximaler Leistung zur Verfügung, zeitlich jedoch begrenzt.

Auch an einem 63 A- und sogar an einem 32 A-Anschluss lässt sich die Maschine in Kombination mit einer Batterie bei entsprechend längeren Ladezeiten betreiben. Der Antriebsstrang kann auch ohne Batterie konfiguriert werden, dann ist allerdings eine Anschlussmöglichkeit mit nominal 250 A erforderlich.

Das Bordnetz wurde für die permanent-erregte Synchronmaschine als 800 V - Gleichspannungssystem ausgelegt. Bei Nutzung der Batterie stellen ein Trenntransformator, ein Isolationswächter und entsprechende Software sicher, dass neben der galvanischen Trennung die jeweils korrekte elektrische Netzform (IT, TN-S) eingehalten wird. Das Gerät hat keine Onboard-Charger, wodurch ein permanenter, hoher Stromfluss durch die Batterie vermieden und die Batterie geschont wird.

Kühl- und Heizsysteme für die Batterie, den Elektromotor und die Leistungselektronik (Inverter, Netzfilter usw.) sind vorhanden oder bei Bedarf nachrüstbar.
Die Entwicklung der Software für das Batterie- und Energiemanagement war eine weitere, umfangreiche Aufgabe. Die Software wurde vollständig neu von KLEMM entwickelt, ebenso die eigentliche Maschinensteuerung.

Prototyp

Zunächst war die Qualifikation des beteiligten Personals für Arbeit an Fahrzeugen mit Hochvoltsystemen sicherzustellen. In Deutschland z.B. regelt dies die Vorschrift DGUV 209-093.
Die Batterie, der Trenntransformator und ein Teil des Thermomanagements wurden in einem „Backpack“ am Heck der Maschine angeordnet. Sie sind somit sehr gut zugänglich, siehe Bild 2.

Der Prototyp der KR 806-3E wurde auf der BAUMA 2022 erstmals öffentlich ausgestellt, später dann einem internationalen Fachpublikum demonstriert, siehe Bild 3. Es folgten weitere Tests im Werk KLEMM, unter anderem zum Verhalten des Inverters und des Filters, zum Kälteverhalten, zur Geräuschemission und zum Batteriemanagement. Der Zeitbedarf für diese Tests und Anpassungen war höher als zuerst angenommen.

Baustelleneinsatz

Bild 3: Demonstration vor internationalem Fachpublikum © Klemm

Nach einer ausführlichen Schulung des Bedienpersonals wurde das Bohrgerät ab Ende Oktober 2023 mehrere Wochen lang vom Unternehmen BAUER Funderingstechniek auf einer Baustelle in den Niederlanden eingesetzt, siehe Bild 4. Hier wurden zwecks Verbreiterung der Autobahn A9 in der Nähe von Rotterdam Mikropfähle (Durchmesser 152 mm, maximale Tiefe 42 m) über eine Länge von 1,6 km hergestellt. Das Bohrgerät KR 806-3E konnte von Beginn an problemlos eingesetzt werden. Auf der Baustelle waren weitere acht KLEMM-Ankerbohrgeräte mit Dieselantrieb im Einsatz, einige davon mit dem Telemetriesystem Datalink AIR. Somit ließen sich unter anderem die Maschinenfunktionen, das Energiemanagement und der Batteriezustand nahezu online verfolgen und mit den vorberechneten Werten vergleichen.

Als temporäre Lösung für die Energieversorgung während der Erprobung der KR 806-3E hatte sich der Betreiber für einen 200 kW Stromgenerator anstelle eines Baustromanschlusses entschieden. Die Auswertung der Energieflüsse zeigte ein einwandfreies Verhalten beim Laden und Entladen der Batterie, genauso wie vorausberechnet, sowohl im kabelgebundenen als auch im off-grid-Betrieb. Off-grid-Bohrarbeiten bei voller Leistung waren für jeweils 2 Stunden möglich.

Der durchschnittliche Verbrauch an elektrischer Energie pro Betriebsstunde betrug bei der KR 806-3E 32 kWh. Auf derselben Baustelle betrug der stündliche Energieverbrauch an Diesel einer KR 806-3GS 93 kWh, siehe Bild 5. Bei gleicher Bohrleistung lag der tatsächliche Energieverbrauch mit 34% sogar noch unter dem erwarteten Wert von etwa 43%, weil die Wirkungsgrade der Einzelkomponenten vorab nur überschlägig und vereinfachend angenommen wurden. Vom Baustellenpersonal wurde die spürbar geringere Lärmemission des Bohrgerätes als sehr angenehm empfunden.

Das Bohrgerät befindet sich seit Juni 2024 im ununterbrochenen und störungsfreien Einsatz bei einem anderen Unternehmen auf einer Baustelle in Den Haag. Dort werden ebenfalls Bohrungen für Mikropfähle abgeteuft. Das Bohrgerät wird direkt an einem 125-Anschluss des Baustellenstromnetzes betrieben. Im realen Betrieb wurde hier ebenfalls ein durchschnittlicher Stromverbrauch von 32,6 kWh je Betriebsstunde ermittelt. Auch hier wird, neben anderen Vorteilen, der leise Bohrbetrieb vom Baustellenpersonal sehr geschätzt.

Fazit und Ausblick

Nachdem inzwischen Kundenaufträge für weitere Ankerbohrgeräte KR 806-3E vorliegen, befindet sich das Antriebskonzept zur Zeit in einer Überarbeitung. Denn zum einen sind inzwischen einige elektrische Komponenten abgekündigt oder verbessert worden, zum anderen fließen die gesammelten Betriebserfahrungen ein. Die Komplexität wird weiter verringert, jedoch wird die Maschine noch kompakter und leistungsstärker sein.

Bild 5: Vergleich der Energieeffizienz © Klemm Bohrtechnik

Der Weg zur Elektrifizierung ist lang und steinig. KLEMM hat das erste Wegstück zurückgelegt. Dabei galt es zu erkennen, welche Weggefährten uns voranbringen und wo es Irrwege gibt. Einen vollständig kabelunabhängigen Betrieb unter realen Baustellenbedingungen können wir uns derzeit nicht vorstellen. Trotzdem sind wir dem Ziel „Zero-Emission“, in unserem Fall also 55 Tonnen CO2 jährlich je Bohrgerät einzusparen, ein Stück nähergekommen.

Referenzen

[1] Keegan, Matthew: The Scandinavian way to zero-carbon construction. Artikel, BBC, 23. Juni 2021. Online: https://www.bbc.com/future/article/20210622-the-scandinavian-way-to-zero-carbon-construction, aufgerufen: 18. April 2024
[2] Bauer AG (31.01.2024): Kick-off für zukunftsweisendes Forschungsprojekt zur Entwicklung eines klimaneutralen Antriebs für Spezialtiefbaumaschinen auf Basis eines Brennstoffzellensystems, Presseveröffentlichung der Bauer AG, online https://www.bauer.de/de/kick-fuer-zukunftsweisendes-forschungsprojekt, aufgerufen 18. April 2024
[3] Wermke, I.: Deutz AG baut Wasserstoffmotoren für China, Handelsblatt, first published on 10.11.2023. Online: https://www.handelsblatt.com/unternehmen/industrie/maschinenbau-deutz-ag-baut-wasserstoffmotoren-fuer-china/29490130.html, aufgerufen: 18. April 2024
[4] Borama Drilling Equipment (Publisher): Battery-powered vs. diesel-powered. Piling Canada, issue 3, 2023, p. 6-13.
Weitere Informationen, Videos und technische Daten zur KLEMM KR 806-3E finden Sie hier:
https://klemm.de/produkte/bohrgeraete/kr-806-3e/

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Einen Auszug dieses Gastbeitrages finden Sie in Ausgabe 11_2024.