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.
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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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