Ein Hybridantrieb kombiniert einen Verbrennungsmotor mit einer elektrischen Antriebsmaschine. Das Prinzip bezeichnet die Verbindung verschiedener Antriebstechniken, um Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu senken. Während Hybridtechnologie in Pkw bereits weit verbreitet ist, steht die Entwicklung bei Baumaschinen noch am Anfang – bietet aber erhebliche Einsparpotenziale.

Funktionsprinzip und Hauptkomponenten

Bei Baumaschinen verfügen die meisten Modelle bereits über mehrere Antriebe: Fahrantrieb, Schwenkantrieb und Arbeitsantrieb. Bislang liefert in konventionellen Hydraulikbaggern jedoch der Dieselmotor die Energie für sämtliche Antriebe. Die Hybridisierung zielt darauf ab, einzelne Antriebsfunktionen elektrisch zu betreiben oder zu unterstützen.

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat Effizienzpotenziale am Beispiel eines Hydraulikbaggers untersucht. Die Wissenschaftler vom Institutsteil Mobile Arbeitsmaschinen (Mobima) statteten eine 15 Tonnen schwere Maschine mit zahlreichen Sensoren aus und dokumentierten ihren Betrieb während hundert Arbeitstagen auf unterschiedlichen Baustellen.

Ergebnisse der KIT-Studie

Der elektrische Betrieb des Schwenkwerks – also des Motors zur seitlichen Drehung des Oberwagens – bringt beim Laden von Erdreich oder Schutt auf einen Lastwagen eine Effizienzsteigerung um elf Prozent und eine Kraftstoffeinsparung von rund acht Prozent. Niklas Bargen vom Institut für Fahrzeugsystemtechnik des KIT erklärt: „Mit zusätzlicher Rückgewinnung von Bewegungsenergie beim Absenken des Baggerarms – ähnlich wie bei regenerativen Bremssystemen in E-Autos – seien sogar Effizienzsteigerungen von insgesamt 12,5 Prozent und neun Prozent weniger Spritverbrauch zu erwarten."

Technische Varianten der Hybridisierung

Für Fahrzeuge mit Hybrid-Antrieb existieren mehrere konstruktive Optionen. Die wichtigsten Antriebsarten im Überblick:

  • Serieller Antrieb: Der Verbrennungsmotor treibt einen Generator an. Der Elektromotor nutzt diese elektrische Energie zum Fahrzeugantrieb. Der Leistungsfluss erfolgt in Serie: Verbrennungsmotor, Generator, Motor.
  • Paralleler Antrieb: Sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor treiben die Antriebsräder an. Der Leistungsfluss erfolgt parallel aus Verbrennungsmotor und/oder Elektromotor.
  • Leistungsverzweigter Antrieb: Beim leistungsverzweigten Antrieb werden das serielle und das parallele Konzept kombiniert. Der Antrieb kann entweder nur durch den Elektromotor (serielle Energiewandlung mittels Verbrennungsmotor und Generator) oder durch den Elektromotor mit parallelem Verbrennungsmotor erfolgen.
  • Range Extender: Ein kleiner Verbrennungsmotor mit Generator liefert bei entladener Batterie die Energie für den elektrischen Antrieb. Bei Fahrzeugen mit Range Extender ist der Elektro-Antrieb leistungsfähiger und ermöglicht rein elektrisches Fahren. Auf längeren Strecken sorgt der Range Extender durch Nachladen der Batterie für höhere Reichweite.

Rekuperation als Schlüsselfunktion

Ein wesentliches Merkmal von Hybrid-Systemen ist die Rekuperation – die Rückgewinnung von Bewegungsenergie beim Bremsen oder Absenken. Diese Energie, die in konventionellen Maschinen als Wärme verloren geht, wird in einer Batterie gespeichert und dann genutzt, um den Motor zu unterstützen. Ein kooperatives regeneratives Bremssystem wandelt kinetische Energie mit hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie um.

Bei Baumaschinen lässt sich dieses Prinzip besonders effektiv beim Absenken des Baggerarms nutzen. Die beim Senken freiwerdende Energie wird in die Hochvolt-Batterie eingespeist und steht für nachfolgende Arbeitsspiele zur Verfügung.

Weitere Optimierungspotenziale

Die KIT-Forscher gehen davon aus, dass noch weiteres Potenzial vorhanden ist. Niklas Bargen: „Zum Beispiel durch eine Software, die bedarfsgerecht und nach Effizienzgesichtspunkten entscheidet, mit welchem Antrieb die unterschiedlichen Funktionen des Baggers gerade am besten betrieben werden sollen."

Eine solche intelligente Steuerung würde in Echtzeit analysieren, ob der Diesel- oder Elektromotor für die jeweilige Arbeitsfunktion energetisch günstiger ist. Der Schwenkantrieb könnte elektrisch laufen, während der Fahrantrieb weiterhin vom Dieselmotor versorgt wird – abhängig von Last, Drehzahl und Arbeitszyklus.

Relevanz für die Praxis

Die drastische Verteuerung von Rohstoffen und Energie macht Kraftstoffeinsparungen wirtschaftlich immer relevanter. Neben dem Klimawandel sind die hohen Betriebskosten ein wesentlicher Grund, Treibstoff bei Baumaschinen einzusparen. Hybridantriebe bieten dabei einen pragmatischen Weg, ohne auf die volle Leistungsfähigkeit konventioneller Dieselmotoren verzichten zu müssen.

Im Gegensatz zu rein elektrischen Baumaschinen erfordern Hybrid-Lösungen keine Ladeinfrastruktur auf der Baustelle und ermöglichen einen unterbrechungsfreien Betrieb. Die Kombination aus Verbrennungs- und Elektromotor vereint die Reichweite und Leistung konventioneller Maschinen mit den Effizienzvorteilen elektrischer Antriebe.