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Elektro-Baumaschinen

Elektrischer Bagger – Lösung für die moderne Baustelle

Wie Bosch Research dafür sorgt, dass Bauen nachhaltiger wird

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Durch Baumaschinen mit Elektroantrieb die Emissionen senken

Weltweit zieht es immer mehr Menschen in die Städte, Wohnraum und Infrastruktur geraten an ihre Grenzen. Die Konsequenz: Die Bauaktivität steigt. Gleichzeitig legt der europäische Green Deal das Erreichen von Netto-Null CO2-Emissionen bis 2050 als Richtziel für Industrieländer fest. Daher gilt es, auch bei Baumaschinen im urbanen Raum nach Möglichkeiten zu suchen, die Emissionen stark zu reduzieren. Wie gehen wir diese Herausforderung an?

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Daniel Neyer, Philip Nagel (beide Bosch Research) und Martin Wegscheider (Bosch Rexroth) besprechen vor Ort gemeinsam die Systemarchitektur des elektro-hydraulischen Antriebssystems

Schon jetzt gibt es Forderungen nach „zero emission construction zones“, beispielsweise in Oslo; das kalifornische Los Angeles fordert emissionsfreie Häfen. Ein elektrischer Bagger von Bosch Research zeigt exemplarisch, wie die Einhaltung dieser Vorgaben bei bestehender Bautätigkeit gelingen kann.

Bereits 2018 startete das Projekt „Electrified Excavator“, in dem Experten aus unterschiedlichen Disziplinen von Bosch Research und Bosch Rexroth, das im Bereich der Antriebs- und Steuerungstechnik tätig ist, zusammenarbeiten.

Ihr erklärtes Ziel ist es, Systemlösungen für Elektro-Baumaschinen zu entwickeln, die zum einen lokal emissionsfrei operieren und zum anderen genau aus diesem Grund besonders sparsam mit Energie umgehen. Dafür gab sich das Team um Projektleiter Philip Nagel folgendes Mission Statement:

Our goal is to enable locally zero-emission operation of mobile machinery. For this purpose, we will develop holistic electrification concepts and will investigate and assess the feasibility of different technologies for zero-emission operation from an excavator’s point of view.

Philip Nagel, Projektleiter bei Bosch Research

Die Herausforderung, einen elektrischen Bagger mit Batterie zu betreiben

Mit Blick auf den Individualverkehr sind in Deutschland aktuell rund 136.600 Elektroautos zugelassen (Kraftfahrt-Bundesamt). Was ist die Schwierigkeit, speziell Baumaschinen elektrisch zu betreiben? „Der Diesel-Verbrennungsmotor hat sich bei Baumaschinen aus einem guten Grund etabliert“, sagt Philip Nagel. „Diesel hat eine hohe Energiedichte und ist einfach speicherbar. Das bedeutet: Eine Baumaschine hat mit dem Diesel ausreichend Energie für einen oder mehrere Tage an Bord.“ Darüber hinaus sei der Kraftstoff relativ billig zu haben und auch die Aufbewahrung der transportierten Energiemenge im Tank habe kaum Einfluss auf den Preis des jeweiligen Fahrzeugs.

Ein Beispiel: Ein 17-Tonnen-Mobilbagger hat rund 250 Liter Diesel an Bord. Dies reicht für mehrere Tage, benötigt er doch während seiner Tätigkeit im Durchschnitt 60–90 Liter an einem acht Stunden Tag.

„Würde man die gesamte Energiemenge, die in einem heutigen Dieseltank steckt, durch eine Batterie ersetzen, so hätte man eine Batterie, die mehrere 100.000 Euro kosten würde“, sagt Philip. „Und sie wäre so groß, dass sie sich nicht in den Bauraum einbauen ließe.“ Für einen Antrieb durch Wasserstoff bzw. eine Brennstoffzelle gelte dies analog.

Daniel Neyer | Bosch
Daniel Neyer während der Inbetriebnahme des elektrischen Baggers

Das bedeutet zweierlei: Zum einen stellt eine reine Substitution des Verbrennungsmotors durch eine Batterie oder Brennstoffzelle und einen Elektromotor oft keine optimale Lösung dar, um Elektro-Baumaschinen zu betreiben. Da elektrische Energie in einer Baumaschine, wie beispielsweise einem E-Bagger, nur knapp verfügbar ist, ist es zum anderen essenziell, dass mit dieser Energie noch effizienter – und damit nachhaltiger – umgegangen wird als bereits bei verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen. Aber wie kann dies gelingen? Genau diese Frage haben sich die Experten um Philip gestellt.

Ein elektrischer Bagger – Wie kann das funktionieren?

Die Forscher rund um Projektleiter Philip Nagel haben sich mit einer Vielzahl unterschiedlicher Elektrifizierungskonzepte für einen E-Bagger auseinandergesetzt und haben Daten bezüglich des Energiebedarfs bei Tätigkeiten wie Fahren oder Graben ausgewertet. „Die Identifikation der optimalen Systemtopologie für einen Bagger mit seinem breiten Spektrum an Arbeitsaufgaben ist Kern des Projekts“, sagt Philip. „Für die optimale Systemtopologie werden die passenden elektrischen und hydraulischen Komponenten identifiziert, um die Effizienzsteigerung – und damit einen kleineren Energiespeicher – erst zu ermöglichen.“

Und er fügt hinzu: „Durch die Elektrifizierung entstehen neue Freiheitsgrade, welche die Energieeffizienz und Nachhaltigkeit bei entsprechender Berücksichtigung im Gesamtsystem deutlich steigern können. Dies sind zum Beispiel ein drehzahlvariabler Betrieb von Hydraulikpumpen, ein voll-elektrisches Drehwerk, die Energierückgewinnung aus der Hydraulik in das elektrische System, sprich: in die Batterie, oder ein hocheffizientes elektrisches Thermosystem für die elektrischen und hydraulischen Antriebskomponenten, den Energiespeicher sowie die Fahrzeugkabine.“

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Zunächst musste das Team unterschiedliche Elektrifizierungskonzepte für einen E-Bagger bewerten. Georg Mallebrein (links) ist im Team für die Funktionsentwicklung zuständig.
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Martin Wegscheider und Daniel Neyer diskutieren die Integration des mobiltauglichen Hochvolt-Inverters im elektrischen Antriebssystem.
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Genau mit diesen Fragen haben sich Philip und sein Team interdisziplinär auseinandergesetzt – und sind zu einer Lösung gekommen. Diese nutzt viele der modernsten elektrischen und hydraulischen Komponenten und Systeme von Bosch Rexroth. Und genau das ist auch so gewollt: „Wir wollen eine vielseitige und nachhaltige Lösung erschaffen, die auch in anderen Baumaschinen oder in den Bereichen Mining, Port oder Materialumschlag eingesetzt werden kann“, sagt Philip.

Und das funktioniert: Der elektrische Bagger ist als komplexes Projekt mittlerweile zum Prototypus gediehen. Für einen Referenz-Arbeitstag reduziert das ausgewählte Konzept den Energiebedarf und damit die benötigte Kapazität der Batterie um mehr als 30 Prozent gegenüber einer reinen Substitution des Verbrennungsmotors durch einen Elektromotor.

Dieses tiefe Systemverständnis sowie das passende Portfolio an elektrischen und hydraulischen Komponenten ermöglichen es am Ende, gemeinsam mit den Herstellern von Off-Highway Fahrzeugen die jeweils beste Lösung zur Elektrifizierung zu identifizieren und umzusetzen.

Matthias Kielbassa, Philip Nagel | Bosch
Matthias Kielbassa (links) und Philip Nagel (rechts)

Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt bringt Bosch Rexroth bereits heute in die Produktentwicklung und in erste Kundenprojekte für die Elektrifizierung ein. So wird Bosch Rexroth mit einem Portfolio an 700V E-Motoren und Invertern in den Markt eintreten. Matthias Kielbassa, Projektleiter für die Elektrifizierung von mobilen Arbeitsmaschinen bei Bosch Rexroth, betont: „Die Elektrifizierung von Off-Highway-Anwendungen schreitet zügig voran. Wir forcieren mit unseren innovativen Produkten eine Zukunft mit gesteigerter Effizienz, geringeren Geräuschemissionen und weniger Luftbelastung.“

Das Team rund um
Philip Nagel

  • Philip Nagel

    Philip Nagel

    Projektleiter Elektrischer Bagger, Bosch Research
    • Innovative Antriebslösungen, Elektrifizierung Off-Highway
    • „I am convinced that everything can be made better and more sustainable. This conviction as well as curiosity drive me to constantly look for new solutions that really bring this benefit.“
  • Matthias Kielbassa

    Matthias Kielbassa

    Director Off-Highway Electrification, Bosch Rexroth
    • Off-Highway Electrification
    • „Mit elektrifizierten Lösungen helfen wir dem OEM bei der Entwicklung der nächsten Generation mobiler Maschinen.“
  • Daniel Neyer

    Daniel Neyer

    Forschungsingenieur, Bosch Research
    • Electrification Off-Highway Machines, Artificial Intelligence, mobile High Voltage E/E Systems
    • „Wo ein Wille, da ein Weg.“
  • Martin Wegscheider

    Martin Wegscheider

    Entwicklungsingenieur, Bosch Rexroth
    • Systementwicklung Elektrifizierung mobile Arbeitsmaschinen
    • „Transforming mobile machines – electrifying!“
  • Georg Mallebrein

    Georg Mallebrein

    Fachreferent für System-Simulation, Bosch Research
    • Funktionsentwicklung für elektrifizierten Bagger / Simulation Brennstoffzellensystem
    • „Forschung bedeutet für mich Erfahrung, Wissen und Kreativität zusammenzubringen, um daraus spannende und nachhaltige Produkte für die Zukunft zu entwickeln.“
  • Rolf Lernbecher

    Rolf Lernbecher

    Coach und Moderator, Bosch Research
    • Tätigkeitsfeld erstreckt sich über die ganze Forschung
    • „meine Einstellung: product first“

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