Schwankende Kraftstoffpreise, die verschärften Emissionsrichtlinien und das zunehmende Umweltbewusstsein führen zu einem gesteigerten Interesse an hocheffizienten mobilen Arbeitsmaschinen besonders im Premium‐Segment. Abhängig vom Arbeitszyklus weisen heutige Maschinen Gesamtwirkungsgrade unter 10 % auf, d.h. nur ein Bruchteil der im Kraftstoff vorhandenen Energie wird tatsächlich in mechanische Arbeit umgewandelt. Der schlechte Wirkungsgrad ist auf den ineffizienten Betrieb des Verbrennungsmotors und des daran angeschlossenen Hydrauliksystems zurückzuführen. Um dieses Problem zu lösen, haben sich in den letzten Jahren weltweit mehrere Forschungsstellen und Unternehmen mit der Optimierung der Energieeffizienz von mobilen Maschinen beschäftigt.
Der meistverbreitete Ansatz beinhaltet eine reine Optimierung des hydraulischen Systems. Dabei werden die Beanspruchung des Verbrennungsmotors und infolgedessen auch der Wirkungsgrad des gesamten Systems vernachlässigt. Um einen wirklich effizienten Antriebsstrang zu entwickeln, muss ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt werden, d.h. die einzelnen Teilsysteme, und ihre Interaktion sowohl miteinander als auch mit der Umgebung sind detailliert zu betrachten. Seit Anfang 2013 wird am Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen das neue Steam Hydrauliksystem für Bagger entwickelt. Steam ist der erste ganzheitliche Ansatz zur Optimierung der Energieeffizienz und Performance mobiler Arbeitsmaschinen. Anders als in den heutigen Load Sensing oder Flow Control Systemen werden die Verbrennungskraftmaschine (VKM) und die Hydraulikpumpe nicht zur direkten Versorgung der hydraulischen Verbraucher, sondern zur Aufrechterhaltung des Drucks in jeweils einem von zwei Speichern (Hochdruck und Mitteldruck) verwendet. Durch diese sogenannte Speicherladeschaltung sind die hydraulischen Verbraucher vollkommen von der Versorgung (VKM und Pumpe) entkoppelt. Diese Unabhängigkeit ermöglicht es die einzelnen Teilsysteme zur selben Zeit in ihrem optimalen Wirkungsgradbereich zu betreiben. Dadurch kann nicht nur der Verbrennungsmotor bei einer deutlich niedrigeren und leiseren Drehzahl von 1.200 U/min betrieben werden, sondern auch Drosselverluste reduziert und die Rückgewinnung der potentiellen und kinetischen Energie aller Verbraucher ermöglicht werden.
Die Maschine kann als ein hydraulischer Hybrid bezeichnet werden. Diese innovative Versorgung zusammen mit der neuen Steuerung und der Steam‐Ventiltechnik bilden ein modulares Baukastensystem und ermöglichen eine flexible Systemanpassung für verschiedene Maschinengrößen und Einsatzgebiete. Eins der Hauptziele des Steam‐Projekts war die Lücke zwischen Grundlagenforschung und industrielle Anwendung zu schließen. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten VIP‐Programms und in Zusammenarbeit mit Volvo Construction Equipment konnte das Konzept anhand eines 18 t Mobilbaggers nachgewiesen werden. Der Prototyp ist einmalig, da wie in Bild 1 dargestellt sowohl das neue Steam‐System als auch ein Load‐Sensing Hydrauliksystem, das dem Stand der Technik entspricht, verbaut sind. Nur dies ermöglicht einen objektiven Vergleich, da der Fahrer jetzt die Möglichkeit hat zwischen den zwei Systemen umzuschalten. Hiermit können Störeinflüsse, die die Verbrauchsmessungen deutlich verfälschen würden ausgeschlossenen werden. Zurzeit befindet sich die Maschine im Versuch und erste Messungen zeigen eine Verbrauchsverbesserung von knapp 40% ohne Einbußen in der Produktivität und Agilität. Steam verwendet keine elektrischen Speicher oder Antriebe. Die in der Maschine bereits vorhandene Hydraulik wird erweitert um so unnötige Energiewandlungen und Kosten zu vermeiden. Die robuste und wartungsfreundliche hydraulische Hybridtechnik erhöht die Wirtschaftlichkeit für Betreiber, die sich über eine deutlich agilere Maschine mit einer erheblichen Reduzierung im Kraftstoffverbrauch freuen können. Unter Berücksichtigung der sinkenden Energieressourcen und verschärfte Abgasrichtlinien ist das System eine für die Praxis relevante und zukunftsweisende Innovation.
