Forschung für den ländlichen Raum STECKER STATT ZAPFWELLE? Elektrische Leistungsantriebe auf Landmaschinen Agritronica 2012 Dipl.-Ing. Dr. Jürgen KARNER Wieselburg / Lehr- und Forschungszentrum Francisco 19.01.2012
INHALT 1) Historische Beispiele 2) Gründe und Motive heute 3) Aktivitäten in Forschung und Industrie 4) Herausforderungen 5) Zusammenfassung unterstützt von: Jürgen KARNER 2
HISTORISCHE BEISPIELE Jürgen KARNER 3
PORSCHE Lohner Porsche (1900) Radnabenmotoren an der Vorderachse Batteriebetrieb, später mit Benzinmotor + Generator serieller Hybrid Rennwagen (1907) unterstützt durch 4-Zylindermotor Problem Überhitzung der Elektromotoren Weiterentwicklung der Verbrennungsmotoren Quelle: Hoffmann: Hybridfahrzeuge (2010) Jürgen KARNER 4
IHC FARMALL Farmall Electrall (1954) Generator für Notstromversorgung elektrisch betriebene Geräte für Demonstrationszwecke (gezogener Mähdrescher und Ballenpresse) Abtöten von Unkräutern mittels Lichtbogen nur wenige Exemplare verkauft Quelle: tforums.ytmag.com Jürgen KARNER 5
GRÜNDE UND MOTIVE HEUTE Jürgen KARNER 6
GRÜNDE UND MOTIVE Effizienzsteigerung höhere Treibstoffkosten Ressourcenverfügbarkeit gesetzliche Vorgaben, Emissionen Automatisierung neue Funktionen analog zur industriellen Prozess-Automatisierung Produktivitätszuwachs Arbeitserleichterung Elektromotoren versprechen hier Vorteile! Bilder: Toyota, Siemens, Landwirt.com Jürgen KARNER 7
FUNKTIONALTIÄTEN ZUR EFFIZIENZSTEIGERUNG Rekuperation Bremsenergierückgewinnung sinnvoll bei häufigen Start- Stopp-Vorgängen, kaum sinnvoll bei Ackerschleppern Passiver-Boost bedarfsgerechtes Zuschalten von Nebenaggregaten mehr Leistung für Fahrantrieb Downsizing Spitzenleistung durch Speicher abgedeckt kleinerer Verbrennungsmotor, günstigere Abgasstufe Bilder: Atlas Weyhausen, Komatsu, John Deere Jürgen KARNER 8
Aktivitäten in Forschung und Landtechnik-Industrie AUSZUG AKTUELLER BEISPIELE Jürgen KARNER 9
ELEKTRISCHER FAHRANTRIEB Mähdrescher Ersatz des hydrostatischen Fahrantriebes mehr Freiheiten bei der Konstruktion Motoren in der Felge teurer, schwerer höherer Wirkungsgrad Feldspritze Dieselmotor + wassergekühlter Generator Radmotoren Spritze konventionell 20 bis 30% Treibstoffeinsparung Quelle: Aumer, Lindner, Geißler, Herlitzius, Bernhardt (2008) Bild: www.landwirt.com Jürgen KARNER 10
MÄHDRESCHER Elektrische Dreschtrommel Prüfstandsuntersuchungen an der TU Dresden etwas günstigerer Wirkungsgrad mechanischer Antriebsstrang gesamt 0,82 elektrischer Antriebsstrang gesamt 0,84 Vorteile durch bessere Systemintegration Hitze problematisch Temperaturerhöhung bei Luftkühlung 112 C Quelle: Herlitzius (2010) Jürgen KARNER 11
FELDHÄCKSLER Elektrischer Baugruppenantrieb Vergleich zwischen hydraulischem und elektrischem Vorsatz und Einzug Praxiseinsatz (50ha) und Prüfstand Verbesserung des Systemwirkungsgrades (speziell bei Teillast) motorisch nahezu gleich effizientere elektrische Leistungsbereitstellung 3,9-faches Bauvolumen des elektrischen Systems 22% höheres Gewicht höhere Kosten des elektrischen Systems Generator, Motoren, Gleich- und Wechselrichter flüssigkeitsgekühlt Quelle: Gallmeier (2009) Jürgen KARNER 12
TRAKTOR Fahrantrieb Dieselmotor treibt Generator 800 VDC Zwischenkreis zweistufiges Gruppengetriebe konventionelle Hinterachse Heckzapfwelle mechanisch Frontzapfwelle elektrisch Bilder: www.landwirt.com, www.profi.de Jürgen KARNER 13
TRAKTOR Einzelradantrieb 91kW Dieselmotor + Generator 4 Radnabenmotoren zu je 33kW Traktionskontrolle Ersatz der Original-Achsen Einzelradaufhängung unterschiedliche Lenkungsarten Mehrgewicht rund 50kg zwei elektrische Steckverbinder für Geräte Bilder: die grüne (Nr. 21/2011); (2011) Jürgen KARNER 14
TRANSPORTTECHNIK Elektrischer Achsantrieb Achse und Motor getrennt Traktionsgewinn Betrieb über Steckdose am Traktor oder Zapfwellengenerator Einzelradantrieb Einzelradregelung Antrieb und Bremsen Möglichkeit gezielter Lenkmanöver Bilder: Fa. Fliegl, 2011; Reinmuth (Fa. John Deere), 2011 Jürgen KARNER 15
ELEKTRISCHE GERÄTE Feldspritze angepasste Pumpendrehzahlen Propeller-Rührwerk separat angetrieben direkte Mengenregelung ohne Rückläufe geringere Restmengen einfachere Handhabung durch automatische Funktionen Freiheit in der Anordnung der Komponenten Quelle: Rahe (Fa. Amazone), 2011 Jürgen KARNER 16
ELEKTRISCHE GERÄTE Düngestreuer Elektromotoren treiben Streuscheiben Erhöhung der Arbeitsgenauigkeit (Grenzstreuen etc.) Kreiselegge Studie zur Ermittlung des Leistungsbedarfs und neuer Möglichkeiten (Drehrichtungsumkehr, Drehzahlregelung etc.) Einzelkornsämaschine elektrischer Antrieb jeder Säreihe Anpassung der Fahrgassenschaltung an jede Spritzbreite ermöglicht Gleichstandsaat Bilder: Rauch (2007), (2011), Lemken (2011), Kverneland (2010) Jürgen KARNER 17
ELEKTRISCHE LEISTUNGSVERSORGUNG Generator am Gerät unabhängig von Standardisierung Ausrüstung auf jedem Gerät Zapfwellengenerator Anbau z.b. an der FHY Übergangslösung Steckdose am Traktor Lösung für die Zukunft Bilder: GNK Walterscheid (2011), Zuidberg (2011), Profi (10/2011 & 12/2011), Landtechnikmagazin.de (2011), John Deere (2010), (2011) Jürgen KARNER 18
Herausforderungen DER WEG ZUR ELEKTRISCHEN LEISTUNGSVERSORGUNG Jürgen KARNER 19
HERAUSFORDERUNGEN Spezifikation Steckdose Systemarchitektur Sicherheit Geräteseitige Anforderungen Kühlung Ausbildung von Fachpersonal Schaffen von Akzeptanz Kundennutzen Standardisierung / Normung AEF, Projektgruppe Elektrische Antriebe internationale Branchenorganisation (Landtechnikhersteller, -verbände, Wissenschaft) Bilder: John Deere, AEF (2011) Jürgen KARNER 20
ZUSAMMENFASSUNG Einsatzmöglichkeiten von elektrischen Antrieben in der Landtechnik sind vielfältig vorhanden Vor- und Nachteile elektrischer Antriebstechnik wurden in vielen Arbeiten bestätigt zusätzlich zur Effizienzsteigerung müssen funktionale Vorteile vorhanden sein (Entlastung des Bedieners durch Automatisierung) elektrische Leistungsschnittstelle wird sich mittelfristig als zusätzliche Antriebsart etablieren Jürgen KARNER 21
KONTAKT Dipl.-Ing. Dr. Jürgen KARNER Wieselburg Tel.: +43 (0) 7416 52175 E-Mail: Juergen.Karner@josephinum.at Web: blt.josephinum.at Jürgen KARNER 22