Haustech 8/2018

Weltpremiere 
für grösstes 
Elektrofahrzeug

Foto: Curt M. Mayer
Curt M. Mayer /

In einem Steinbruchbetrieb bei Biel ist seit einiger Zeit eine Weltneuheit unterwegs. Der batteriebetriebene Grossmuldenkipper ist das derzeit grösste batteriebetriebene Fahrzeug. Die über vier Tonnen schweren Batterien vermögen bis zu 600 kW zu speichern.

Die Muldenkipper für den Gesteinstransport im Steinbruch der Ciments Vigier SA in Pery bei Biel werden täglich im Acht-Stunden-Dauerbetrieb eingesetzt, was mit einem enormen Treibstoffverbrauch verbunden ist. Um den CO2-Ausstoss zu verringern und gleichzeitig die Lärmemissionen einzuschränken, suchte das Unternehmen nach umweltfreundlichen Alternativen. Schliesslich entschied man sich dazu, ein dieselbetriebenes Gebrauchtfahrzeug der Marke Komatsu auf einen reinen Elektroantrieb umzurüsten. Nach dem Ausbau des Dieselantriebs und des Tanks wurde auf dem Chassis Platz für den Elektromotor und die Akkupakete geschaffen, die das Fahrzeug in seiner zweiten Lebenshälfte antreiben werden.

Als Herzstück wurde ein 862 PS starker Elektromotor für den Antrieb eingebaut. Dieser dient bergab gleichzeitig als Bremse und Generator. Neu entwickelt worden ist das manuelle, hydraulisch unterstützte Planeten-Schaltgetriebe mit zwei Gängen:  einem Direktgang 1:1 sowie einem 3,55-fach untersetzten Berggang.  Zudem versorgt ein 272-PS-Zusatzmotor die Hydraulikaggregate für Bremsen, Kippen und Servolenkung.

Die grössten Herausforderungen für die Konstrukteure bestanden beim neuen Antrieb im Handling der enormen Drehmomente. Diese betragen bis zu 9500 Newtonmeter (Nm) und sind im Betrieb sofort erreichbar, sodass auch mit vollem Gewicht zügig losgefahren werden kann. Zudem arbeitet der Elektromotor mit viel höheren Drehzahlen. Hinzu kommen die Wahl des geeigneten Batterietyps und der Zusammenbau der Zellen zu den fünf betriebssicheren Speichern. Ebenso anspruchsvoll war die Konstruktion eines geeigneten Motors, der sowohl die maximale Geschwindigkeit von bis zu 40 Kilometern pro Stunde als auch die enormen Kräfte bei einer Talfahrt mit 123 Tonnen Gewicht und die Steigung bis 13 Prozent meistern kann.

Sowohl Motor, Getriebe, Batterien als auch Inverter sind allesamt Neuentwicklungen auf der Basis industrieller Produkte der neuesten Generation. Der Hauptmotor mit einer Leistung von 634 kW wurde von der Elektromotorenfabrik Oswald aus dem deutschen Miltenberg hergestellt. Die Hydropumpen für Lamellen-Bremsanlage, Kippantrieb, Servounterstützung und Vorspannung der Hilfsbremsanlage werden von einem weiteren Elektromotor mit 200 kW Leistung der Brienzer Motoren AG angetrieben. Weitere beteiligte Firmen sind Puls Getriebe AG für das Getriebe und Aradex AG für den Inverter.

Akkupaks mit Kühlsystem

Der Stromspeicher aus fünf Blöcken hat seinen Platz im Motorenraum anstelle des Dieseltanks gefunden. Die 4,5 Tonnen schweren Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Batterien speichern bis zu 600 kWh und bestehen aus 1536 quaderförmigen Zellen mit jeweils eigenem Aluminiumgehäuse. Die Akkupaks im Motorraum setzen sich aus dreimal 16 Stacks mit je 24 Zellen 
zusammen, und im Tankgehäuse sind 
16 Stacks mit 24 Zellen untergebracht.

Diese von der Lithium Storage GmbH konzipierten Batterien werden mit enormen Stromstärken von bis zu 3000 Ampere 
belastet. Ein mehrstufiges Kühlsystem, das mit Luft, Glykol und Wasser arbeitet, temperiert die Akkus auf 25 Grad. 
Dazu eingesetzt sind die Komponenten Luft- und Flüssigkeits-Kühlkreislauf, Kühlwasserpumpe, Ventilatoren und Wärmetauscher.

Interdisziplinäres Entwicklungsteam

Die für die Realisierung des Pionierfahrzeugs neu gegründete Arbeitsgemeinschaft eMining hatte bereits 2016 mit den Entwicklungsarbeiten begonnen, eine Komponentenevaluation gemacht und Simulationen angestellt. Ein Team von Ingenieuren, Fahrzeugbauern und Batteriespezialisten hat sich in Zusammenarbeit mit dem Zentrum Energiespeicherung BFH-CSEM der Berner Fachhochschule und der Interstaatlichen Hochschule für Technik Buchs NTB sowie der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt Empa zum Ziel gesetzt, dieses Fahrzeug zu planen und bis im Herbst 2017 betriebsbereit zu realisieren. Dazu gewährte das Bundesamt für Energie einen Förderbeitrag. Hinzu kamen die Teams um die Baumaschinen Kuhn Schweiz AG mit CEO Franz Kissling sowie von Roger Miauton, CEO Lithium Storage GmbH.

Für diese konstruktive Leistung ist das Entwicklungsteam mit dem prestigeträchtigen europäischen Innovationspreis E-Move-360°-Award 2017 in der Kategorie Elektrofahrzeuge ausgezeichnet worden. Beim Testbetrieb im vergangenen Frühjahr sorgte das Fahrzeug für gleich drei Weltrekorde: Der E-Dumper ist das grösste und stärkste batteriebetriebene Elektro-Pneufahrzeug überhaupt. Dazu wurde ihm die grösste je für ein Elektrofahrzeug hergestellte Batterie eingebaut. Und noch nie konnte bei einem einzelnen Elektrofahrzeug so viel CO2 eingespart werden.

Hochgesteckte Anforderungen erfüllt

Der umgerüstete E-Dumper in seinem neuen grünen Design hat unter rauesten Bedingungen voll beladen mit einem Gesamtgewicht von 123 Tonnen seine täglich zwanzig Rotationen zu meistern. Im aktuell anstehenden Gesteinsabbau absolviert er eine Einsatzstrecke von drei Kilometern Länge, überwindet bei Talfahrt einen Höhenunterschied von rund 180 Metern und eine maximale Steigung von 13 Prozent.

Da der Muldenkipper pro Bergfahrt leer etwa 30 kWh verbraucht und bei der Talfahrt beladen mit 65 Tonnen Gestein bis zu 40 kWh zurück in die Akkus speisen kann, laden sich bergab die Batterien wieder auf. So wird der «Luchs» getaufte Grossdumper zum Energie-Plus-Fahrzeug. Der erwirtschaftete Überschuss bei den vorgesehenen Fahrten wird auf täglich 200 kWh geschätzt und auf bis zu 77 MWh Strom pro Jahr beziffert. Dieser kann vom Betreiber ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden und führt so zu einem Nettogewinn.

Die beeindruckenden Einsparungen, die durch den Wegfall des Treibstoffs erreicht werden können, sind wohl rekordverdächtig. Gemäss einem Vergleich verbraucht ein leistungsidentisches Dieselfahrzeug pro Jahr im Betrieb je nach Einsatz 50 000 bis 100 000 Liter Diesel und stösst 131 bis 262 Tonnen CO2 aus. Diese Einsparung wiegt die Investitionen für die Entwicklung und Nutzung des Fahrzeugs bei weitem auf, ist Vigier Cement überzeugt. Dazu tragen auch die geringeren Wartungskosten für Elektromotoren und Batterien bei.