Elektro-Großfahrzeuge
14.9.2024
Im Bergbau und Schwertransport sowie in der Schiffs- und Luftfahrt und dem Bahnverkehr kommen zunehmend Elektroantriebe zum Einsatz. Natürlich sind die benötigten Batterien gigantisch groß und schwer. Auf der Straße wird der 74 Tonnen schwere Volvo FH Electric Lkw zum Beispiel von einer 500kg schweren Batterie mit 94 kWh Energie versorgt. Im Bergbau findet man statt eingebauter Batterien oftmals lange Stromkabel zur Versorgung der Bagger.
Wie weit die Entwicklung bei den Bergbaumaschinen, Schiffen, Flugzeugen und Bahnen ist, das beleuchtet der
BBC Future Planet Artikel:
"Planes, trains and monster diggers: The vehicles pushing the limits of electric power" [1]
von Chris Baraniuk am 1.9.2024
Die Größe eines Elektrofahrzeugs hängt unter anderem davon ab, wie viel Energie in eine Batterie gepackt werden kann. Es gibt aber auch Elektrofahrzeuge, die gänzlich auf Batterien verzichten, um gigantische Ausmaße zu erreichen.
Der Tagebaubagger PC8000-11 ist einer der größten Bergbaubagger der Welt. Die Klauenschaufel, mit der er mineralhaltiges Gestein aufreißt, ist so groß, dass mehr als 3.000 Fußbälle hineinpassen würden. Der Fahrer sitzt in einer Kabine, die ungefähr so hoch ist wie das Dach eines durchschnittlichen zweistöckigen britischen Hauses. Und allein die gewaltigen Raupenketten des Baggers sind knapp 3 m (10 Fuß) hoch – und ungefähr so lang wie ein Londoner Bus.
Er wiegt insgesamt 778 Tonnen und man könnte meinen, dieses Biest, der Tagebaubagger PC8000-11 von Komatsu, könne nur mit einem fossilen Brennstoff wie Diesel betrieben werden. Benötigt ein solches Ungetüm nicht die ganze rohe, schmutzige Energie der Verbrennung, um zu funktionieren? Nun, es gibt ein Dieselmodell – aber Komatsu hat kürzlich ein elektrisches Äquivalent herausgebracht. Und es funktioniert genauso.
„Wir machen keine Abstriche bei der Leistung, wenn wir auf Elektro umsteigen“, sagt Thomas Jordan, Marketingmanager bei Komatsu Deutschland. Während der Dieselbagger laut Komatsu mehr als 400 Liter (88 Gallonen) Kraftstoff pro Stunde verbraucht, ist die elektrische Alternative stattdessen auf ein klobiges Stromkabel angewiesen – das Fahrzeug selbst erzeugt also keine Emissionen.
Beim Vergleich der Diesel- und Elektroversionen des Baggers, den ein schwedischer Kunde verwendet, sind die Well-to-Wheel-Emissionen
(diese umfassen alle Emissionen im Zusammenhang mit der Produktion, Verarbeitung, Verteilung und Nutzung von Kraftstoffen) bei der Elektrovariante laut Komatsu um 95 % niedriger. Dieser Kunde hat Zugang zu Strom aus Kern- und Wasserkraft. Bergbauunternehmen interessieren sich zunehmend für solche Optionen, sagt Jordan. „Wir sehen einen Trend zu mehr Elektrifizierung, das ist definitiv der Fall.“
BBC Future Planet hat sich kürzlich auf die Suche nach einigen der größten Elektrofahrzeuge der Welt gemacht – nach Größe und Gewicht. Es gibt keinen Mangel an beeindruckenden Beispielen, von riesigen Bergbaumaschinen bis hin zu Zügen und Frachtschiffen.
Es gibt zwar größere Elektrobagger als den PC8000-11, aber das Fahrzeug von Komatsu ist aufgrund seiner besonders harten Arbeit bemerkenswert, betont Jordan. Das Hydrauliksystem des Baggers ermöglicht es ihm, Gestein zu bearbeiten – in dieser Maschinenklasse war der PC8000-11 in Bezug auf die Tonnage der größte, den wir finden konnten. „Wenn Sie in die großen Kupfer- und Goldminen gehen, werden Sie hartes Material finden, für das Sie diese Art von Hydraulikbagger benötigen“, sagt Jordan.
Auf der Suche nach noch größeren Elektrobaggern gerät man an eines der größten Fahrzeuge, die jemals gebaut wurden, unabhängig von der Kraftstoffart. Es hält den Guinness-Weltrekord für das schwerste Landfahrzeug und ist nicht einmal neu, da es bereits in den 1990er Jahren vom deutschen Bergbauausrüstungsunternehmen Takraf hergestellt wurde. Der kolossale Schaufelradbagger Bagger 293 wird in Deutschland für Tagebauarbeiten eingesetzt und wiegt kaum zu glaubende 14.200 Tonnen. Das entspricht etwa 78 leeren Boeing 747-400.
Obwohl der Bagger 293 den PC8000-11 in Bezug auf die reine Tonnage in den Schatten stellt, ist seine Aufgabe etwas weniger intensiv – er bewegt Erde und Boden statt Gestein. Trotzdem benötigt der Bagger 293 so viel Energie, dass er, genau wie der PC8000-11, über ein Kabel an eine Stromquelle angeschlossen ist, anstatt eine Bordbatterie zu verwenden.
Ein so großes Fahrzeug wie der PC8000-11 kann noch nicht mit einer Batterie betrieben werden, da der Akkupack mit der heutigen Technologie mehr als halb so viel wiegen würde wie das Fahrzeug selbst
Ironischerweise ist die Einführung von Elektrofahrzeugen im Bergbau schon seit Jahrzehnten im Gange, teilweise weil Kohlebergwerke in der Regel über eigene kleine Kraftwerke verfügen, sagt Jordan. Das bedeutet, dass sie Elektrofahrzeuge vor Ort kostengünstig mit Strom versorgen können – allerdings unter Verwendung einer sehr umweltschädlichen Energiequelle.
Heute setzen viele verschiedene Arten von Bergwerken auf Elektrofahrzeuge, um die CO2-Emissionen ihres Betriebs zu reduzieren. Einige Bergwerke behaupten sogar, ihre Maschinen größtenteils mit erneuerbarer Energie zu betreiben. Die Reduzierung der Emissionen aus dem Betrieb bringt jedoch nur einen begrenzten Nutzen – im Kohlebergbau beispielsweise werden die klimaerwärmenden Emissionen aus der Verbrennung seiner Produkte durch die Elektrifizierung der zur Gewinnung verwendeten Geräte überhaupt nicht reduziert.
Der Bergbau bleibt in vielen Teilen der Welt eine umweltschädliche und gefährliche Tätigkeit. Weltweit verursachen Rohstoffindustrien, einschließlich des Bergbaus, einer Schätzung zufolge jedes Jahr Umweltschäden in Höhe von 400 Mrd. bis 5 Brd. Euro. Und das gilt sogar noch bevor Produkte wie fossile Brennstoffe verbrannt werden. Bergbau ist aber auch wichtig für die Gewinnung von Mineralien wie Nickel, Kupfer und Gold, die in Unterhaltungselektronik, Solarmodulen und eben auch Elektrofahrzeugen verwendet werden können.
„Große Bergbauländer wie Chile und Australien sehen sich alle das Potenzial zur Elektrifizierung ihrer Bergbauindustrie an“, sagt Zhenying Shao, leitende Forscherin beim International Council on Clean Transportation. Sie und ihre Kollegen haben Minenarbeiter interviewt, die vor kurzem mit Elektro-Lkw und -Baggern begonnen haben. Ihre Kommentare sind tendenziell positiv – insbesondere über die Verringerung der Luftverschmutzung und des Lärms durch die Fahrzeuge, sagt sie. „Sie sind diejenigen, die diese Maschinen fahren, also zählt das wirklich.“
Komatsu weist darauf hin, dass kabelbetriebene Fahrzeuge Einschränkungen haben. Das Elektrokabel des PC8000-11 ist 300 m lang. Das ist eine beachtliche Reichweite, aber wenn der Bagger woanders hin muss, muss auch ein kleines Umspannwerk verlegt werden, um ihn mit Strom zu versorgen.
Außerhalb des Bergbaus gibt es noch viele andere Beispiele für mächtige Elektrofahrzeuge. Wie viel sie hinter sich herziehen können, kann für bestimmte Anwendungen ebenso wichtig sein wie ihre eigene Größe und ihr Gewicht. Nehmen wir zum Beispiel den Elektrotransporter von Iveco, der, obwohl er selbst nicht groß war, 153,58 Tonnen ziehen konnte. Die gezogene Ladung bestand aus einem Lastwagen mit einem Bagger, einem Lastwagen voller Steine und einem Flughafen-Feuerwehrauto, allesamt hintereinander aufgereiht.
Aber was das Gewicht angeht, gehören Schwerlastfahrzeuge zu den größten Elektrofahrzeugen, die auf der Straße sind. Der FH Electric-Lkw von Volvo gehört, wenn man seinen Doppelanhänger und die Ladung mit einbezieht, zu den Anwärtern auf den Titel des schwersten batteriebetriebenen Elektro-Straßenfahrzeugs. Ein Lkw, der derzeit im schwedischen Göteborg getestet wird, ist eine 74 Tonnen schwere, 13 m lange Version dieses Lkw- und Anhängersystems. „Sie sind täglich im kommerziellen Verkehr unterwegs“, sagt Niklas Andersson, Direktor für Elektrolösungen bei Volvo Trucks, über die Tests.
Eine etwas leichtere, 68-Tonnen-Version dieses Aufbaus ist auch in Finnland auf einer 160 km langen Strecke im Einsatz. Obwohl die Batterie des Lkws das Fahrzeug normalerweise über diese gesamte Distanz mit Strom versorgen kann, ohne dass es aufgeladen werden muss, können die Wetterbedingungen die Leistung beeinträchtigen, sagt Andersson. „Wenn es kalt ist, hat man etwa 10 cm Schneematsch auf der Straße, was bedeutet, dass der Rollwiderstand wirklich schlecht ist. Dann müssen wir unterwegs aufladen.“
Er weist darauf hin, dass die Batterien für diese Lkw im Laufe der Zeit schnell energiedichter geworden sind. Die erste Version der Batterie, die 2019 von Volvo Trucks auf den Markt gebracht wurde, wog etwa 500 kg und bot 49 kWh Energie. Letztes Jahr hat das Unternehmen eine neue Batterie entwickelt, die ungefähr die gleiche Größe und das gleiche Gewicht hat, aber fast doppelt so viel Leistung bietet – 94 kWh, sagt Andersson.
Die Geschwindigkeit, mit der sich die Batterien für Elektrofahrzeuge in den letzten Jahren verbessert haben, hat Chris Thorne überrascht, den Leiter für Strategie und Betrieb bei UMAS, einem maritimen Beratungsunternehmen, das zu verschiedenen Energiequellen für die Schifffahrtsindustrie berät.
„Ich bin mir ziemlich sicher, dass ich 2015 irgendwann gesagt habe, dass schwere Nutzfahrzeuge niemals batterieelektrisch sein werden, und fünf Jahre später habe ich daran gearbeitet. Das hat mir eine Lektion erteilt“, scherzt er. Elektrische Antriebsstränge sind eigentlich gut für schwere Maschinen geeignet, da sie nicht das System aus Wellen und Zahnrädern benötigen, das in Benzin- und Dieselfahrzeugen verwendet wird – diese können im Laufe der Zeit einen höheren Wartungsaufwand erfordern.
„Sie haben viel Flexibilität bei der Gestaltung des Fahrzeugs. Sie können an jedem Rad einen Motor haben, wenn Sie möchten“, fügt Thorne hinzu. Und er weist darauf hin, dass Batterien praktischerweise modular sind. Sie können einfach so lange Module hinzufügen, bis Sie die benötigte Leistung haben.
Die Energiedichte, also die Menge an Leistung, die in ein bestimmtes Volumen gepackt werden kann, ist immer noch ein Hindernis für die Elektrifizierung einiger Fahrzeuge – insbesondere großer Flugzeuge. Allerdings deuten Forschungsergebnisse darauf hin, dass wir eines Tages elektrische Passagierflugzeuge sehen könnten, die bis zu 90 Personen befördern können. Die größten Elektroflugzeuge können heute maximal etwa neun Passagiere befördern.
Das Problem der Energiedichte begrenzt auch die Elektrifizierung von Schiffen, obwohl einige überraschend schwere Schiffe inzwischen mit Batteriestrom betrieben werden. In der australischen Werft Incat Tasmania wird derzeit eine Fähre gebaut, die derzeit als Incat Hull 096 bekannt ist. Nach der Fertigstellung soll sie Platz für 2.100 Passagiere und 225 Fahrzeuge bieten – und 130 m (427 Fuß) lang sein. Sie wurde von einem in Uruguay ansässigen Fährbetreiber bestellt.
Und schließlich ist der vielleicht leistungsstärkste Elektrozug der Welt der Shen24 in China. Er kann mehr als 10.000 Tonnen Kohle mit bis zu 120 km/h (75 mph) transportieren.
Thorne merkt an, dass es nicht wirklich überraschend ist, dass Elektrofahrzeuge in der Schwerindustrie so weit verbreitet sind. Diese Maschinen haben eine lange Lebensdauer, sind hart im Nehmen und kosten in der Anschaffung viel. Wenn man sie also günstig im Betrieb machen kann, beispielsweise mit lokal erzeugtem erneuerbarem Strom, und sie einfacher zu warten sind und weniger bewegliche Teile haben als die mit fossilen Brennstoffen betriebenen Alternativen, dann werden sie schnell attraktiv.
Andererseits ist noch nicht jedes Unternehmen oder jede Branche bereit, diese Fahrzeuge zu übernehmen. Es kann Fragen zur Sicherheit riesiger Batterien in bestimmten Kontexten geben, in denen Fahrzeuge beispielsweise in Kollisionen verwickelt sein könnten. Shao sagt, dass schwere batteriebetriebene Elektrofahrzeuge zwar eindeutig sehr leistungsfähig sind, einige Unternehmen jedoch möglicherweise noch zögern, auf sie umzusteigen.
„Es ist eine neue Technologie“, sagt sie. „Die Branche wurde so lange von Diesel dominiert.“
Quellen:
[1] https://www.bbc.co.uk/future/article/20240829-the-search-for-the-worlds-biggest-electric-vehicles
https://de.wikipedia.org/wiki/Energiedichte
https://de.wikipedia.org/wiki/Energiedichte_von_Energiespeichern
https://de.wikipedia.org/wiki/Bagger_293