eDumper 

Auftraggeber
Ciments Vigier SA

Kurzbeschreibung

Mit dem Umbau eines Komatsu 605-7 HD Muldenkippers auf batterieelektrischen Betrieb gelang es, das derzeit weltgrösste Pneufahrzeug zu konstruieren.

Details

  • Batteriekapazität eDumper: 600kWh
  • rein elektrischer Antrieb:
    700 KW Synchron-Motor, 200 KW Asynchronmotor
  • 14% Steigfähigkeit vollbeladen, 40 Km/h Spitzengeschwindigkeit
  • Möglichkeit der Rückspeisung der überschüssigen Energie ins Netz
  • Mehr Informationen finden Sie auf eMining.ch

eDumper in action

Der eDumper Nr. 1 «Lynx» (dt. Luchs) transportiert pro Fahrt 54 Tonnen Kalk- und Mergelgestein vom höher gelegenen Abbaugebiet zur Brecheranlage der Fa. Ciments Vigier S.A.

Success Story eDumper Nr.1 «Lynx» (dt. Der Luchs)

Aus einem gelben, lärmigen und rauchenden Ungetüm, einem Komatsu 605 HD wurde ein umweltfreundlicher grüner eDumper No 1. Nach einem einjährigen Umbau wird er rein elektrisch betrieben, mit Stromversorgung ab internem Akkumulator, da wiederholt Energie gespeichert und wieder abgerufen werden kann.

Die technische Herausforderung: ein 120 Tonnen schweres Fahrzeug tagelang mit viel weniger Energiebedarf zu betreiben als bisher. Geht das überhaupt? Die Antwort ist ja, aber. Die Physik liefert die Erklärung, wie dieses Ziel erreicht werden kann.

Dank dem Knowhow der Ingenieure von Lithium Storage können die theoretischen Berechnungen umgesetzt werden. Dank Hochleistungsspeichern auf Lithium-Basis, welche mehrere tausend Mal be- und entladen werden können, kann in der vorgegebenen Konstruktion genügend Energie gespeichert werden, damit das Fahrzeug einen Tag lang eine mit der Dieselversion vergleichbare Transportleistung erbringen kann. Das Gewicht spielt dabei eine wesentliche Rolle. Treibstoffe wie Diesel oder Benzin haben im Vergleich mit den elektrischen Speichern bis zu zehn Mal mehr Energieinhalt pro Kilogramm. Dem gegenüber verbraucht jedoch ein Elektrofahrzeug weniger als die Hälfte an Primärenergie.

Eigentlich war es ursprünglich eine Stammtisch-Idee. Was nämlich ein Dieselfahrzeug nicht kann, das nützen wir beim elektrischen Antrieb aus: die Rekuperation. Wir holen die Bremsenergie zurück, wenn wir ins Tal fahren. Abbau oben am Berg, Entleeren in den Brecher unten in der Talsohle. Wir fahren dann mit 120 Tonnen runter und mit 55 Tonnen hoch. Das sollte eine ziemlich gute Energiebilanz ergeben. Dazu kommt, dass ein elektrischer Antrieb wesentlich effizienter die gespeicherte Energie in mechanischen Abtrieb umsetzt als ein Verbrenner.

Nun geht es an die Berechnungen. Geländedaten der Fahrstrecken im Abbaugebiet müssen gesammelt werden. Mit GPS und einem für solche Zwecke ausgelegten Triangulationssystem werden die Wegstrecken und Steigungen aufgezeichnet und analysiert.

Auch der Verbrauch des Fahrzeugs muss simuliert werden, mittels verschiedener Streckenprofile und Zuständen der Piste: Unbefestigte Piste, Winterbetrieb mit Schneeketten, grosse hydraulische Verbraucher, welche ständig arbeiten, sind nur einige der Punkte, die zuerst qualifiziert (und dann anhand der Simulationen auch quantifiziert) werden müssen. Dazu kommt, dass uns keine Drehmoment-Daten aus den Steuergeräten der Dieselvariante zur Verfügung stehen.

Abhilfe schafft eine mit einer Messstelle nachgerüstete Kardanwelle in einem baugleichen Diesel-Fahrzeug. Sie liefert zusammen mit anderen Sensoren reale Daten zu den Fahrprofilen des beladenen und unbeladenen Dumpers und dient als Basis für die Verbrauchssimulationen.

Bald zeigt sich, dass es mit der richtigen Strategie möglich sein wird, ein solches Fahrzeug tatsächlich einen ganzen Tag lang mittels in Batterien gespeicherter elektrischer Energie zu betreiben. Es zeigt sich, dass die Batterie nicht klein sein wird. Sie wird gar eine neue Rekorddimension darstellen. Doch dazu später. Wichtig zu beantworten ist nun, ober der zur Verfügung stehende Raum im bestehenden Chassis ausreicht, um den erforderliche Energieinhalt unterzubringen.

Verschiedene Batteriechemien werden evaluiert. Eine Auswahl geeigneter Lithium-Zellen wird bei den Hochschulpartnern im Prüfstand getestet. Am Schluss fällt die Auswahl auf eine sehr effiziente, leistungsfähige und energiedichte NMC-Zelle, welche in ausreichender Menge lieferbar ist. Ausreichend deshalb, da nach Kalkulation 710 Kilowattstunden verbaut werden müssen. Im Vergleich: 7 Tesla-Batterien müssen in einem einzigen Fahrzeug Platz finden. Noch nie wurde in einem Landfahrzeug so viel Batteriekapazität verbaut.

Der Antriebsmotor und das 2-stufige Getriebe werden ausgelegt. Unterzubringen ist auch ein Haufen Hydraulik und Leitungen. Der vorhandene Platz wird immer kostbarer und rarer. Das Ergebnis und damit die Lösung, die umgesetzt wird: Vier einzelne Batterien. Hauptvorteil dabei ist die Redundanz. Das Fahrzeug bleibt auch bei drei zugeschalteten Batterien voll einsatzfähig. Selbst mit zwei aktiven Batterien kann man es noch in die Werkstatt bewegen. Ein weiterer Vorteil ist die bessere Ausnutzung des Bauraums. So kann eine Batterie seitlich zwischen den Achsen montiert werden, wo vorher der Dieseltank weilte.

Raffinierte Halterungen und verschiedene neue Aufhängungen müssen ständigen und starken Vibrationen die Stirn bieten. Die Batteriehüllen müssen Staub und Feuchtigkeit wirksam von den Zellen und Kontakten fernhalten und das bei eineinhalb Kubikmeter grossen Batteriekästen.

Im Hochschullabor wird die Abwärme der Zellen mit simulierten Fahrprofilen gemessen und dient als Basis für das Kühlkonzept. Diverse Details des Prototyps müssen immer wieder angepasst und geändert werden. Das Fahrzeug soll sich beim Kunden über Jahre hinaus bewähren.

Nachdem die Antriebsinverter, ein Leistungspaket mit über 1 MW Spitzenleistung, ins Chassis eingepasst und die unendlich vielen Meter Hochvolt-Leitungen verlegt sind, können die vier Batterien eingesetzt werden. Diese sind bereits im Prüfstand vorgeladen und über einige Lade- und Entladezyklen getestet worden. Erwartungsgemäss pannenfrei gestaltet sich dann auch die erste Zusammenschaltung der 4 Energieträger, bereit für die erste Inbetriebnahme. Ein spannender Moment, wenn zum ersten Mal die Batterie-Schützen geschlossen werden und die Umrichter den Antriebsmotor bestromen.

Wenige Tage später darf der Koloss zum ersten Mal auf seinen gewaltigen tiefschwarzen Rädern mit grüner Radnabe stehen, jedes höher als ein ausgewachsener Mensch.

Wir sind permanent im Fokus der Fachwelt, welche nun jeden unserer Schritte mit Spannung mitverfolgt. Selbst das Team der Entwicklungsingenieure von Komatsu stattet dem eDumper einen mehrtägigen Besuch ab, um sich vor Ort bestätigen zu lassen, dass die Elektrifizierung ihrer Fahrzeuge mit den neuesten auf dem Markt verfügbaren Komponenten ab sofort möglich wird.

Der zwischenzeitlich grün bemalte Koloss soll sich das erste Mal aus eigener Kraft bewegen. Rasch werden letzte Korrekturen bei der Kraftentfaltung die das Gaspedal auslöst, etwas zurückgenommen. Der eDumper fährt sich wie eine gutmütige Limousine. Wirklich zu hören sind nur die Hydraulikpumpen, welche das Öl im Kreislauf umpumpen. Vom Antrieb hört man nur ein leises Hochfrequenz-Pfeifen. Kein fauchender Diesel, keine schwarze Wolke beim Gasstoss, wird das die Zukunft sein? Man merkt, das ist schon noch gewöhnungsbedürftig in einer Welt, welche von grossen und lauten Maschinen und Dieselgeruch auf der Haut dominiert wird.

Nun steht der Transport an, natürlich ein Schwertransport durch die halbe Schweiz, vom Thurgau im Osten bis in die Westschweiz, in den Berner Jura. Keine leichte Aufgabe bei dieser Überbreite. Der Transport findet in der Nacht statt, um den normalen Verkehr möglichst nicht zu beeinträchtigen.

Im Jura wartet bereits die Mulde. Sie ist eine Spezialanfertigung. Konventionelle Mulden werden mit den Abgasen des Verbrennungsmotors beheizt, um ein Ankleben des Transportguts zu vermeiden. Wir sind zu energieeffizient. Wir haben keine sechzig Prozent Abwärme übrig. Daher wurde bereits im Vorfeld parallel zur Dumper-Entwicklung ein neuartiges Mulden-System abgeklärt.

Nun steht das Fahrzeug zum ersten Mal komplett da, «unser» Technologieträger der Zukunft.

Im Abbaugebiet angekommen, werden letzte Arbeiten ausgeführt. Parallel ist bereits die Lade- und Entladeinfrastruktur neben der Brecheranlage gebaut worden. Diese Anlage ist keineswegs ein Standard-Ladegerät. Sie muss fähig sein, die Dumper-Batterien zu laden oder zu entladen. Je nachdem welche Strecken gefahren werden, fällt die Energiebilanz negativ oder auch positiv aus. Das Ladegerät muss also auch fähig sein, überschüssige Energie aus den Batterien zurück ins Betriebsnetz der Anlage zu speisen, damit der Dumper beim nächsten Einsatz wieder Bremsenergie speichern kann.

Damit ist der grüne eDumper nun voll in die Dumper-Familie im Steinbruch integriert. Er fällt eigentlich bloss durch seine Farbe und ab und zu durch ein Überholmanöver auf. Er arbeitet nicht nur wesentlich energieeffizienter, sondern dank seinem Elektroantrieb auch ungewohnt hohe Beschleunigungswerte. Die gesamte Infrastruktur wurde denn auch bereits für einen zweiten, in praktisch allen Belangen baugleichen Kollegen dimensioniert und installiert.

Über Kuhn Schweiz AG:
KUHN Schweiz AG bildet Teil der KUHN-Gruppe, die in zehn europäischen Ländern mit über 1300 Mitarbeitern in den Bereichen Baumaschinen, Ladetechnik und Werkzeugmaschinenbau eine führende Rolle hat. Das Haupttätigkeitsfeld von KUHN Schweiz AG ist der Handel mit Baumaschinen mit den Kernkompetenzen in der kundennahen Beratung und massgeschneiderten Betreuung unterschiedlicher Kundensegmente. Die verschiedenen Teilmärkte (Erdbewegung, Materialumschlag, Materialaufbereitung) bearbeitet KUHN Schweiz mit einem auf die verschiedenen Kundenprofile spezialisierten Team von Fachpersonal. Dank dem Fokus auf technologischen Fortschritt gelingt es der KUHN Schweiz AG und der von ihr vertretenen Produkten, künftige technische Entwicklungen mitzuprägen, sei es mit intelligenter Maschinensteuerung, welche die semi-autonome Bedienung von Baumaschinen ermöglicht (iMC – intelligent machine control), sei es mit satellitenüberwachtem Maschinenpark (Komtrax) oder mit Hydraulikbaggern, die sich eines hybriden Antriebs bestehend aus einer Kombination von Elektro- und Dieselmotor bedienen: KUHN Schweiz AG und ihre Partner sind immer vorne dabei. In dieses Bestreben, technologischen Wandel mitzugestalten, fügt sich die Zusammenarbeit mit der Firma Lithium Storage ein. Gemeinsam wird ein innovatives, revolutionäres Projekt der Umrüstung von Diesel- auf reinen Elektroantrieb angegangen, das neue Massstäbe des ökologischen und wirtschaftlichen Maschinenbetriebs setzt.