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Dienstag, 20. März 2012


Die Zukunft von CPS.


Der ETRION 400 ist eine Konzeptstudie zur Zukunft von CLAAS POWER SYSTEMS (CPS).

Kein Zukunftstraktor. Kein Prototyp.

Der ETRION ist eine Designstudie für CLAAS. Merlyn Gray, junger Londoner Designer, hat 2008 gemeinsam mit jungen engagierten und ambitionierten Technikern der Traktorenentwicklung bei CLAAS Tractor in Vélizy-Villacoublay erste Antworten auf eine Reihe von Fragen gesucht, auf die zukünftige landwirtschaftliche Fahrzeuge überzeugend und fundiert Antwort geben müssen.

1. Optimale Traktion: TERRA TRAC weitergedacht
Wie kann die Traktion im Feld maximiert werden und gleichzeitig die drei folgenden Bedingungen erfüllen?
  • Geringste Bodenverdichtung (eine Rad-Raupe-Kombination, bei der sich die Raupe im Feldeinsatz in die zweite Traktionsspur neben die Räder stellt – und damit „Zwillinge“ vermeidet)
  • Hohe Wendigkeit (mit zwei lenkbaren Achsen und anhebbarem Raupenlaufwerk im Vorgewende)
  • Straßentauglichkeit (Breite unter 3,30 m, weil die zusätzliche Traktion voll durch das ausfahrbare Raupenlaufwerk gewährleistet ist)
2. Maximale Effizienz: Antriebssystem weitergedacht
Wie kann bei einem landwirtschaftlichen Fahrzeug (auch in echten Offshore-Situationen) die Effektivität und Effizienz des Antriebs optimiert werden? Wie kann Elektromobilität hier umgesetzt werden? In dieser Studie sind z.B. 8 Antriebsköpfe mit Radnaben-Elektroaggregaten ausrüstbar, das Fahrzeug kann ein gasbetriebenes Aggregat zur Stromerzeugung haben, über Fuelcell-Lösungen zukünftiger Generationen oder über andere Lösungen zur Bereitstellung der erforderlichen Elektrizität betrieben werden.
3. Intuitives Handling: Assistenzsysteme weitergedacht
Wie können Effizienz und Komfort im täglichen Einsatz gesteigert werden? Die Studie deutet Aufnahmepunkte für Front- und Heck-Implements mit neuartiger Plug-in-Technologie an. Nicht sichtbar sind weitere Ideen zur Kabinen-, Cockpit- und Handling-Auslegung, die jedoch in den Konzept-Skizzen angedeutet werden.
Der ETRION ist Inspiration. Interessante Ideen sind konzeptionell anspruchsvoll in Szene gesetzt. Anregung zum Weiterdenken. Aber kein verbindlicher Hinweis auf die zukünftige Designsprache von CLAAS Fahrzeugen.
Der Name ETRION 400: das blaue E steht für Elektromobilität, T für TRAC, R für Rad, ION ist die typische Endung,400 bezeichnet den Leistungsbereich um 400 PS (oder werden wir dann die „Pferdestärken“ endgültig aus dem Wortschatz verbannen?).

Das Zeitalter des Verbrennungsmotors geht zu Ende?

Diskutiert wird in der Branche nach wie vor der Einsatz der SCR-Technologie oder der EGR-Technologie. Heute widmet sich die Forschung in der Landtechnik zunehmend alternativen und abgasarmen Antrieben wie Hybridlösungen, Biodiesel-Varianten und E-Mobility. Auch die Forschung im Bereich Brennstoffzelle erfährt derzeit besondere Aufmerksamkeit. Gerade in der Wasserstofftechnologie sehen viele Experten eine zeitnah realisierbare Alternative. Mit anderen Worten: der technologische Wandel hat begonnen.

Neue Antriebe.

Der Abschied vom Verbrennungsmotor scheint beschlossene Sache, auch auf dem Feld. Hybridlösungen, dieselelektrische Antriebe und Elektromotoren werden in der Landwirtschaft eine immer bedeutendere Rolle spielen. Erste Modelle und Prototypen weisen bereits den Weg in die Zukunft.

Elektrische Traktoren.

Allzu große Euphorie, gerade bei der E-Mobility, ist jedoch nicht angebracht. Bis zur Serienreife von ökonomisch sinnvollen E-Lösungen wird noch einige Zeit vergehen. Die Forschung an Hochschulen und in Unternehmen ist dagegen im vollen Gange. „Vor allem Traktoren werden in Zukunft elektrische Energie aus der Steckdose nutzen“, sagt Thomas Herlitzius, Professor für Agrarsystemtechnik an der TU Dresden. Elektrische Antriebe seien eine Alternative zur Hydraulik, da sie nach Ansicht von Herlitzius „eine bessere Steuer- und Regelbarkeit und eine effiziente Bauraumausnutzung gewährleisten sowie über höhere Wirkungsgrade verfügen.“ Außerdem würden durch den Elektroantrieb Öl-Emissionen bei den An- und Abkoppelvorgängen hydraulischer Aggregate vermieden und Risiken im Umgang mit Hydraulikflüssigkeiten gemindert.

Großer Energiespeicher bei Hybrid-Lösungen.

Neben reinen E-Motoren wird derzeit intensiv an der Hybridisierung von Fahrantriebssträngen mobiler Maschinen geforscht. Die hybriden Fahrantriebsstränge könnten elektrisch oder hydraulisch ausgeführt sein. Wie Hybrid-Lösungen in der Praxis umgesetzt werden, wird derzeit an der Fachhochschule Köln erprobt. Im Juni 2010 starteten die Rheinländer gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft das Projekt „Lib-OFF-Road“. Dabei sollen energieeffiziente und Klima schonende Antriebskonzepte für Off-Road-Nutzfahrzeuge, also für Bau-, Land- und auch Forstmaschinen, entwickelt werden. Man will neben dem Fahrantrieb vor allem auch den Antrieb der Arbeitswerkzeuge auf den Prüfstand stellen, da dieser sehr viel zusätzliche Energie verbraucht. Das sei auch die Crux bei den Hybridantrieben: Sie benötigen einen großen Energiespeicher. Diesen gilt es nun technologisch weiterzuentwickeln.

Dieselelektrische Antriebe für Off-Road-Maschinen.

Als weitere attraktive Variante etablieren sich derzeit dieselelektrische Antriebe. Dabei führt der Motor praktisch ein eigenes Kraftwerk mit sich – also einen Generator, der von einem Dieselmotor angetrieben wird. Wissenschaftler der TU Dresden wollen derzeit Landmaschinen mit Hilfe elektrischer Antriebe leiser und leistungsstärker machen. Sie haben dafür ein dieselelektrisches Antriebssystem entwickelt, bei dem ein Dieselmotor ein elektrisches Bordnetz speist, aus dem wiederum die vier Traktorräder angetrieben werden. Dieser Hybridtraktor erreicht nach Angaben der Forscher sehr hohe Wirkungsgrade. Es gibt noch weitere Vorteile. „Wenn alle vier Räder einzeln angetrieben werden, bedeutet das neben geringerem Reifenverschleiß auch eine größere Toleranz gegenüber unterschiedlichen Reifenradien. Durch die aktive Traktionskontrolle für jedes Rad wird der Boden geschont und die Zugkraft des Traktors steigt“, sagt Agrarsystemtechnik-Professor Thomas Herlitzius.


Alternative Treibstoffe



Die EU will bis 2020 den Kohlendioxid-Ausstoß europaweit um 20 Prozent verringern. Auch die Landwirtschaft muss CO2-Emissionen einsparen. Die Land- und Forstwirtschaft ist für sechs Prozent der gesamten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Mit dem Einsatz von alternativen Antrieben und erneuerbaren Kraftstoffen wie Biodiesel, Bioethanol und Biogas können Treibhausgas- und Schadstoffemissionen vermieden werden.

Biogas geben.

Biogas ist eine Lösung, auf die beispielsweise ein Hersteller setzt. Vor kurzem präsentierte das Unternehmen einen biogasbetriebenen Traktor. Der Betrieb des Fahrzeugs ist simpel. Ohne Veränderungen am originalen Dieselmotor vorzunehmen, werden 70 bis 80 Prozent der Leistung aus Biogas erzeugt. Der Zweistoffmotor arbeitet wie ein Dieselmotor. Das Gas wird mit der angesaugten Luft eingeblasen. Die Verbrennung tritt ein, wenn eine kleine Menge Diesel in den Zylinder eingespritzt wird. Ist Biogas nicht verfügbar, läuft der Motor vollständig mit Diesel. Ein anderer Hersteller verkündet, dass bereits heute alle Motoren der jeweiligen Landmaschinen ohne kostenaufwändige Änderungen mit 100 Prozent Biodiesel betrieben werden könnten.

Gifte im Katalysator.

Auch der Einsatz von Biodiesel hat seine Tücken. Die Online-Ausgabe von „Agrar heute“ berichtete im Sommer, dass der Markt für reinen Biodiesel kleiner werde. Dies ist nicht auf fehlende Konkurrenzfähigkeit an der Zapfsäule, sondern auf technische Hürden zurückzuführen. So habe der Motorenhersteller Deutz seine Motorenbaureihe TCD 2013 4V, die in Bussen und LKW eingesetzt wird, kürzlich nicht für die Verwendung von 100 Prozent Biodiesel freigegeben, sondern nur noch für eine Beimischung mit 30 Prozent Biodiesel. Als Grund hätten die Kölner Bedenken wegen der Abgasnachbehandlung im Katalysator angegeben. Denn, so das Magazin weiter, „Problemkandidaten im Biodiesel für den Katalysator sind Phosphor, die Alkalistoffe Natrium und Kalium sowie die Erdalkalimetalle Magnesium und Calcium“. Diese Katalysatorgifte könnten die aktiven Stellen des Katalysators blockieren.

Viel Entwicklungspotenzial liegt bei der Automatisierung

Im Gespräch mit dem CPS-Team: Prof. Herlitzius, Professor für Agrarsystemtechnik an der TU Dresden, über Abgasregulierung, alternative Antriebe und die Zukunft der Landtechnik.

Wo erwarten Sie bei Landmaschinen die nächsten wegweisenden technologischen Entwicklungen?
Generell stehen bei den Landmaschinen in den nächsten Jahren drei Dinge im Mittelpunkt: das Maschinenkonzept, die Automatisierung und Servicedienstleistungen. Was die Maschinen angeht, wird es zunächst noch ein Weiterwachsen geben. Die Leistung eines Traktors hat sich in den vergangenen 50 Jahren um durchschnittlich 1,75 kW pro Jahr vergrößert, bei den Mähdreschern waren es sogar 5 kW pro Jahr. Diese Entwicklung wird noch ein paar Jahre anhalten. Doch dann wird das Wachstum der Maschinen an Grenzen stoßen, zum einen wegen des Rückgangs fossiler Brennstoffe, und zum anderen wegen der schädlichen Bodenverdichtung sowie den Bauraumrestriktionen verbunden mit der Straßenzulassung der Landmaschinen. Da wird heute schon viel getrickst.

Viel mehr Entwicklungspotenzial sehe ich daher bei der Automatisierung, also bei der Informationstechnik, beim Ausbau der Bordelektronik, Stichwort Precision Farming. Denn: Verfahren in der Landwirtschaft sind heute keine Einzelverfahren mehr, sondern immer Prozesse und da bedarf es einer zentralen Prozessführung. Das wiederum eröffnet die Chance für neue Servicedienstleistungen. Viele Betriebe, vor allem kleinere Betriebe könnten mit den Anforderungen des Verfahrensmanagements überfordert sein. Hier könnten sich daher, vergleichbar mit der Industrie neue Dienstleister im Bereich des Prozessführungsmanagement etablieren.
Wie beurteilen Sie die Diskussion um die bessere Abgastechnologie?
Die ersten drei Stufen, Tier 1, 2 und 3, haben sich als sinnvoll erwiesen. Da sind wichtige Entwicklungsschritte in der Motorentechnologie, auch in der Landtechnik vollzogen worden, die bereits einen großen Anteil schädigender Emissionen reduziert haben. Aber Tier 4 (Stage IIIb bzw. Stage IV) sehe ich durchaus problematisch, nicht nur weil ein Großteil der Welt, vor allem die Ländern Asiens, noch gar nicht entschieden hat, ob und welche Abgasnorm man überhaupt einführen möchte. Sondern weil Tier 4 für die Hersteller in Amerika und Westeuropa vor allem eins bedeutet: Mehrkosten. Und die werden sie an die Kunden weiter geben müssen. Denn jede Technologie, ob nun SCR oder EGR mit Partikelfilter verursacht zusätzliche Kosten. Und klar ist auch: Die zusätzlichen Komponenten wirken eher verbrauchssteigernd. Partikelfilter verbrauchen Kraftstoff zur Regeneration und SCR-Katalysatoren erzeugen einen zusätzlichen Verbrauch von AdBlue®. Wenn Hersteller eine Verbrauchssenkung reklamieren, dann resultiert diese eher aus Verbesserungen des Gesamtwirkungsgrades der Maschine und des Antriebsstranges. Wirklich belastbare Daten oder Vergleichsuntersuchungen existieren noch nicht oder sind nicht offen gelegt. Ich glaube, man hätte der Welt mehr Gutes getan, wenn man das Geld, das in die neue Abgastechnologie gesteckt wurde, in der Entwicklung alternativer Antriebe investiert hätte.
Wird die Dieseltechnologie in absehbarer Zeit durch neue Antriebe abgelöst? Wenn ja, wann rechnen Sie damit?
Es ist davon auszugehen, dass elektrische Antriebe auch in der Landwirtschaft immer wichtiger werden. Aber das wird noch dauern. Wir reden ja hier über Leistungen von bis zu 1000 PS und einem täglichen Einsatz von 14 Stunden. Das wird man in absehbarer Zeit nicht mit Elektromotoren oder einer Brennstoffzelle erreichen können. Da sind vor allem die Speichertechnologien, also die Batterien längst noch nicht ausgereift. Was einzelne Landmaschinenhersteller bisher vorgestellt haben, beispielsweise einen Traktor mit Brennstoffzelle, das sind eher Studien, da ist vieles noch nicht zu Ende gedacht. Was auf jeden Fall in den nächsten fünf bis zehn Jahren kommen wird, das sind Hybrid-Lösungen und dieselelektrische Antriebe bei Landmaschinen. Das ist die Zukunft. Da sind die Hersteller gefordert. Da gilt es jetzt gute Konzepte zu entwickeln.
Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Herlitzius ist Leiter des Lehrstuhls Agrarsystemtechnik an der TU Dresden. Die Professur gehört zum Institut für Verarbeitungsmaschinen und Mobile Arbeitsmaschinen.

Forschung mit CLAAS Beteiligung

CLAAS POWER SYSTEMS ist weit mehr als die „Spritspar-Initiative“ für Motoren. CPS betrachtet immer den gesamten Prozess der Mechanisierung in der Landwirtschaft. Was IT, was ‚farming intelligence‘ dazu beitragen kann, dazu drei Beispiele:

Forschungsprogramm iGreen.

Wie erhöht IT die Effizienz landwirtschaftlicher Maschinen? Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert mit dem Projekt iGreen ein standortbezogenes Dienste- und Wissensnetzwerk im Agrarbereich zur Bewirtschaftung der Agrarflächen im Sinne einer effizienten, ressourcen- und umweltschonenden Landwirtschaft. Mit dabei sind alle führenden Hersteller von Landmaschinen, natürlich auch CLAAS. Wir testen im Rahmen des Forschungsprogramms, wie CLAAS Maschinen und deren Bordrechner optimal in das iGreen-Netzwerk integriert werden können. Dr. Hans-Peter Grothaus koordiniert den Projektbeitrag auf Seiten von CLAAS. Für ihn steht die Produktivität beim IT-Einsatz im Vordergrund: „Es geht darum, die Produktivität nicht nur durch verbesserte Konstruktion einer Landmaschine zu erhöhen, sondern durch die Einbindung in IT-Prozesse. Unser umfangreiches Know-how auf dem Gebiet der Bordelektrik und der Softwareentwicklung helfen dabei, die Vorgänge in der Landwirtschaft nicht mehr getrennt voneinander, sondern als integrierten Prozess zu verstehen. Denn das ist auch im Sinne unserer Kunden.“

Forschungsprogramm Robot2Business.

Auch in der Landwirtschaft halten Roboter Einzug. Wie das in Zukunft aussehen kann, demonstriert das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderte Forschungsprojekt Robot2Business (R2B). Es kann aus der Sicht von CLAAS als Vorlaufprojekt von iGreen betrachtet werden. Die Landmaschinen der Zukunft organisieren sich selbst, um dabei den Landwirt sinnvoll zu entlasten. Dafür kommunizieren sie selbsttätig über ein IT-System mit anderen Maschinen, dokumentieren die geleistete Arbeit, geben Hinweise auf benötigte Wartungstätigkeiten und warnen vor Hindernissen. Die Automatisierung von Geschäftsprozessen vereinfacht Entscheidungen in der täglichen Arbeit und spart Maschinen-Einsatzzeit – und damit Kraftstoff. Und: Gerade die Landwirtschaft soll von nicht planbaren Einflüssen wie z. B. technischen Störungen oder Witterungseinflüssen unabhängiger werden. CLAAS hat bei R2B eine wichtige Rolle übernommen, um die Entwicklung einer automatisierten Landwirtschaft aktiv zu begleiten.
Geschäftsprozesse in der Land-, Bau- und Servicewirtschaft sind durch äußere, nicht planbare Einflüsse wie zum Beispiel Witterung gefährdet. Diese Dynamik zu beherrschen, steht im Fokus unserer Forschung“, sagt Projektleiter Thilo Steckel von CLAAS. „Unser Ziel ist die Schaffung einer vernetzenden webbasierten Kommunikationsplattform, die automatisch ablaufende und dynamische Prozesse realisiert und somit hilft, wirtschaftliche Risiken durch unvorhergesehene Ereignisse zu vermeiden.“

Förderinitiative SimoBIT.

Aktivitäten wie Robot2Business finden im Rahmen der IT-Förderinitiative der Bundesregierung, SimoBIT, statt. Generelles Ziel von SimoBIT ist es, die Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit landwirtschaftlicher Betriebe zu steigern – und zwar mit Hilfe von IT-Prozessen, die auf den Bedarf der Landwirtschaft zugeschnitten sind. Sie entlasten die Landwirte in der täglichen Arbeit. Zum Beispiel durch Zusammenarbeit in Maschinenketten auf dem Feld oder die Optimierung der Fahrwegplanung. CLAAS engagiert sich dabei neben Unternehmen wie Siemens IT Solutions als Industriepartner der Bundesregierung.

Forschungsstrategie BioÖkonomie.

Hybrid-Lösungen im Einsatz.

Hybrid-Lösungen werden bei sehr lokal eingesetzten Baumaschinen interessanter. Mitsubishi Heavy Industries hat ein Antriebssystem entwickelt, das aus einer Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterie, einem Dieselmotor, zwei Induktionsmotoren und einem Konverter besteht. Auf der Bauma 2010 in München hat das Unternehmen einen Gabelstapler vorgestellt, der mit dieser Kombination um 39 Prozent leistungsfähiger ist im Vergleich zu den traditionell verbrennungsmotorisch angetriebenen Gabelstaplern. Der Baumaschinenhersteller BOMAG hat eine Feldtestmaschine mit Hybridantrieb entwickelt, die zusätzlich zu den herkömmlichen Antriebselementen einen Elektromotor-Generator, eine Hochleistungsbatterie und die dazu entsprechende Leistungselektronik enthält. Gespeist wird die Hochleistungsbatterie im Generatorbetrieb der Elektromaschine zum Beispiel beim Abbremsen oder Abschalten der Vibration vor allem aber durch die Differenz der vom Dieselmotor erzeugten Leistung zur abgenommenen Leistung. Die nicht genutzte Leistung wird sozusagen gespeichert. Leistungsspitzen werden ausgeglichen, indem der Elektromotor bei Bedarf Energie aus der Batterie entnimmt und den Hauptantrieb unterstützt. Mit diesem Konzept konnten die Konstrukteure die Leistungsklasse des Hauptantriebsmotors reduzieren. Insgesamt verringert sich dadurch der Kraftstoffverbrauch – nach Angaben von BOMAG zeigten erste Tests eine Dieselersparnis von bis zu 30 Prozent.

Dieselelektrische Antriebe für Off-Road-Maschinen.

Einen weiteren Ausweg bilden dieselelektrische Antriebe. Dabei führt das Fahrzeug praktisch ein eigenes Kraftwerk mit sich – also einen Generator, der von einem Dieselmotor angetrieben wird. Wissenschaftler der TU Dresden wollen derzeit Landmaschinen mit Hilfe elektrischer Antriebe leiser und leistungsstärker machen. Sie haben dafür ein dieselelektrisches Antriebssystem entwickelt, bei dem ein Dieselmotor ein elektrisches Bordnetz speist, aus dem wiederum die vier Traktorräder angetrieben werden. Dieser Hybridtraktor erreicht nach Angaben der Forscher sehr hohe Wirkungsgrade. Es gibt noch weitere Vorteile: „Wenn alle vier Räder einzeln angetrieben werden, bedeutet das neben geringerem Reifenverschleiß auch eine größere Toleranz gegenüber unterschiedlichen Reifenradien. Durch die aktive Traktionskontrolle für jedes Rad wird der Boden geschont, und die Zugkraft des Traktors steigt“, sagt Agrarsystemtechnik-Professor Thomas Herlitzius. Die Hersteller von Baumaschinen sind aufgrund des sehr lokalen Einsatzes einen Schritt weiter und haben erste Ergebnisse präsentiert. Caterpillar hat beispielsweise den ersten dieselelektrischen Kettendozer D7E mit 175 KW Leistung auf den Markt gebracht. Sein Dieselmotor läuft unabhängig von Fahrgeschwindigkeit und Last verbrauchsoptimiert konstant mit 1800 Touren bei einem verbesserten Wirkungsgrad.

Alternativen zu Diesel?

Bei alternativen Treibstoffen gibt es verschiedene Optionen: Biogas ist eine Lösung, auf die ein Hersteller in der Landtechnik setzt. Vor kurzem präsentierte das Unternehmen einen biogasbetriebenen Traktor. Der Betrieb des Fahrzeugs ist simpel: Ohne Veränderungen am original Dieselmotor vorzunehmen, werden 70 bis 80 Prozent der Leistung aus Biogas erzeugt. Der Zweistoffmotor arbeitet wie ein Dieselmotor. Das Gas wird mit der angesaugten Luft eingeblasen, die Verbrennung tritt ein, wenn eine kleine Menge Diesel in den Zylinder eingespritzt wird. Ist Biogas nicht verfügbar, läuft der Motor vollständig mit Diesel. In den Biogas-Tank passen 170 Liter, welche unter 200 Bar Druck etwa 30 Liter Diesel entsprechen. Das reicht für drei bis vier Arbeitsstunden aus.










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