Antriebstechnik

E-Traktor: Technik mächtig unter Strom

Stehsatz-E-9-eMultitrac
Helmut Süß Portrait 2019
Helmut Süß
am Donnerstag, 18.06.2020 - 10:03

Erste Lösungen für Elektroantriebe in der Landtechnik gibt es innerbetrieblich bei Mist- oder Futteranschiebern, Hofladern und Futtermischwagen, aber wie sieht es im Außenbereich aus? Wann kommen praktikable Systeme und die E-volution?

Auf einen Blick

  • Fast alle Hersteller von Anbaugeräten untersuchen, welchen Nutzen die Elektrifizierung bieten kann. Auch die Fahrzeughersteller nehmen den Faden auf.
  • Für Antriebsstrangkonzepte mit Leistungselektrik in den mobilen E-Fahrzeugen bietet sich folgende Einordnung an: Generatorkonzepte, elektrisch-mechanisch leistungsverzweigte Getriebekonzepte, dieselelektrische Konzepte und vollelektrische Konzepte.
  • Im Stall bzw. am Hof haben schon verschiedene lautlose und emissionsfreie „Stallknechte aus Stahl“ mit E-Antrieb Einzug gehalten.
  • Systembedingt ist die Umsetzung von diversen Lösungen für Elektroantrieb auf PS-starke Traktoren eher schwierig. Dennoch gibt es einige E-Entwicklungsbeispiele, meist aber nur Prototypen im Außenbereich.

Elektrisch angetriebene Landmaschinen haben eine lange Geschichte

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Die ersten Lösungen sind seit dem 19. Jahrhundert bekannt. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts verdrängten die aufkommenden Verbrennungsmotoren den elektrischen Antriebsstrang in mobilen Maschinen fast vollständig. Der herausragende Vorteil von Verbrennungsmotoren war damals die Kompaktheit des Motors und vor allem die einfache Energiespeicherung: der Kraftstofftank konnte in der Regel während eines ganzen Arbeitstages die für den Betrieb der Maschinen notwendige Energie liefern, ohne dass eine Betankung erforderlich war. Dies war eine Grundvoraussetzung für die immer weiter fortschreitende Mechanisierung im Ackerbau.

Nahezu alle Hersteller von Anbaugeräten untersuchen aktuell, welchen Nutzen die Elektrifizierung bieten kann. Auch die Fahrzeughersteller nehmen den Faden auf. Im Zuge von Precision Farming, Digitalisierung und vor allem Automatisierung kommt auch das Thema E-Mobilität bzw. die Elektrifizierung und Robotik in der Landwirtschaft verstärkt auf diversen Veranstaltungen auf die Agenda wie zuletzt auf VDI-Landtechnik-Tagungen sowie beim KTBL-Seminar „Mit Energie in die Zukunft“.

Statusbericht: Wo steht die Landtechnik?

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Dort hat unter anderem Roger Stirnimann (Dozent für Agrartechnik an der Berner Fachhochschule in Zollikofen/Schweiz) zum Thema „Elektrifizierung von mobilen Maschinen – wo steht die Landtechnik?“ einen Statusbericht abgegeben: „Die Elektrifizierung von mobilen Maschinen insbesondere von Landmaschinen ist seit Jahren ein vieldiskutiertes Thema. Trotz vieler Vorteile sind hier Serienfahrzeuge mit Leistungselektrik im Antriebsstrang in der Praxis selten anzutreffen.“

Doch welche Antriebskonzepte gibt es überhaupt und warum werden sie bisher eher zurückhaltend angewendet?

Für Antriebsstrangkonzepte mit Leistungselektrik in den mobilen E-Fahrzeugen, insbesondere Traktoren bietet sich laut Stirnimann folgende Einordnung an:

  • Generatorkonzepte,
  • elektrisch-mechanisch leistungsverzweigte Getriebekonzepte,
  • dieselelektrische Konzepte und
  • vollelektrische Konzepte.

Generator für externe Verbraucher

Stehsatz-E-7-Anbaugerät mit E-Steckdose

Beim Generatorkonzept wird ein klassischer mechanischer Antriebsstrang um einen Generator erweitert, der einen Teil der Verbrennungsmotorleistung in elektrische Leistung umwandelt. Hiermit werden externe Verbraucher (z. B. kleine Elektromotoren auf Anbaugeräten) und/oder Nebenaggregate auf dem Fahrzeug selber (z. B. Ventilator, Kompressor) angetrieben. Die Leistungsübertragung für den Fahrantrieb erfolgt weiterhin rein mechanisch. Typische Beispiele hierfür sind die E-Premium-Modelle 7430/7530 und die 6RE-Modelle von John Deere.

Elektrisch-mechanisch leistungsverzweigte Getriebekonzepte

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Elektrisch-mechanisch leistungsverzweigte Getriebekonzepte sind ähnlich aufgebaut wie ihre hydrostatisch-mechanischen Pendants. Anstelle der Hydroeinheit (Pumpe/Motor) wird hier eine elektrische Einheit (Generator/Motor) in den variablen Zweig eingebaut. Ein aktuelles Beispiel wurde im vergangenen Jahr auf der Agritechnica vorgestellt: das eAutoPowr-Getriebe von John Deere. Die Generator-Motor-Einheit ist hier so dimensioniert, dass sie nicht nur die Funktion des variablen Stellgliedes in der leistungsverzweigten Getriebestruktur übernehmen, sondern zusätzlich bis zu 100 kW elektrische Leistung für externe Verbraucher bereitstellen kann.

Diesel-elektrische und vollelektronische Konzepte

E-8-eMischer-Siloking

Bei diesel-elektrischen Konzepten wird die gesamte Leistung des Verbrennungsmotors mittels Generator in elektrische Leistung umgewandelt. Damit können Elektromotoren für den Fahrantrieb und andere Antriebe versorgt werden. Eine mechanische Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und Arbeitsantrieben gibt es nicht. Als typisches Beispiel nannte Stirnimann den Kettendozer Caterpillar D7E. Die Dieselelektrik ersetzt hier Drehmomentwandler sowie Powershift-Getriebe und dient zur Darstellung eines stufenlosen Fahrantriebs. Als Projektstudie stellte Steyr zur Agritechnica 2019 den Hybrid-Traktor mit innovativem Antriebskonzept vor. Dabei treibt der 4,5-Liter-Dieselmotor einen Generator zum Aufladen der Akkus an. Die Räder werden von vier unabhängigen Elektromotoren angetrieben.

„Vollelektrische Konzepte kommen ganz ohne Verbrennungsmotor aus, dieser wird hier durch einen oder mehrere Elektromotoren ersetzt. Anstelle eines Treibstofftanks gibt es eine Batterie, die aufgrund ihrer geringen Energiedichte die Einsatzdauer allerdings einschränkt. Batterie-elektrische Konzepte sind deshalb nur bei kleineren Fahrzeugen mit geringen Leistungsanforderungen zu finden“, erklärte Stirnimann. Beispiele hierfür sind unter anderem der eHoftrac 1160 von Weidemann oder die Traktor-Prototypen Fendt e100 Vario und Rigitrac SKE 50. In Kombination mit einer Traktionsbatterie lassen sich die drei erstgenannten Konzepte mit Leistungselektrik grundsätzlich zu parallelen, leistungsverzweigten und seriellen Hybriden erweitern.

Zahlreiche Varianten für die drei Hybridgrundstrukturen

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Diese drei Hybridgrundstrukturen können in zahlreiche Varianten unterteilt werden, darunter auch solche mit externen Lademöglichkeiten für die Batterie (Plug-in-Hybride) wie der Experte weiter erläuterte: „Je nach Struktur und installierter elektrischer Leistung können typische Hybridfunktionen wie Start-Stopp, Rekuperation, Boosten oder rein elektrisches Fahren dargestellt werden. In der Landtechnik gibt es bislang nur wenige ‚echte‘ Hybridfahrzeuge, die in Serie gefertigt werden. Dazu gehört der Kleingeräteträger Metron von Reform, der für den Fahrantrieb eine serielle Struktur aufweist.“

Herausforderungen am Traktor

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Elektrische und hybride Antriebskonzepte haben bisher noch keine große Verbreitung gefunden wie der Experte näher belegte: „Die Suche nach möglichen Gründen erfordert eine differenzierte Betrachtung nach Fahrzeugart und Antriebskonzept.“ Bei Traktoren beispielsweise könne die Motorleistung bekanntlich über Räder, Zapfwelle und Hydraulikanschlüsse auf den Boden beziehungsweise auf Arbeitsgeräte übertragen werden. „Die Leistungselektrik stände hier also noch für eine vierte Möglichkeit zur Leistungsübertragung, was das System Traktor noch komplexer und auch teurer machen würde. Um das zu vermeiden, müsste an anderer Stelle etwas ‚eingespart‘ werden, was aufgrund der starken Integration von Zapfwelle und Hydraulik aber nicht einfach ist“, gab Stirnimann zu bedenken.

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Eine wichtige Rolle spielen aus Sicht des Experten auch die Einsatzprofile der Traktoren: „Bei schweren Zugarbeiten auf dem Feld könnte ein hybridisierter Traktor beispielsweise kaum von der Hybridfunktion ‚Rekuperation‘ profitieren. Selbst bei Transportarbeiten dürften hieraus nur geringe Effizienzvorteile resultieren“, gab er zu bedenken. Auch vollelektrische Konzepte „vertragen“ sich mit Traktoreinsätzen eher schlecht, weil die Leistungsanforderungen meistens hoch und die Einsatzzeiten lang sind. Weitere Herausforderungen in der Praxis stellen zudem die relativ langen Batterieladezeiten dar.

E-Traktoren

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Systembedingt ist die Umsetzung von diversen Lösungen für Elektroantrieb auf PS-starke Traktoren eher schwierig. Dennoch gibt es einige E-Entwicklungsbeispiele:

  • John Deere stellte schon 2011 den teilelektrifizierten Traktor John Deere 6210 RE vor. Auf der Sima 2017 erhielt John Deere eine Auszeichnung für den völlig batteriebetriebenen Prototyp Sesam. Und auf der letzten Agritechnica waren viele Prototypen mit Elektroantrieb vertreten, z. B. eine Konzeptstudie eines E-Kompakttraktors, der mit einer Art auf- und abrollbaren Kabeltrommel den Strom von einer externen Quelle bezieht.
  • Das Schweizer Unternehmen Rigi versuchte 2015 einen dieselelektrischen Antrieb für den RigiTrac EWD 120 umzusetzen.
  • In Holland haben 2015 Gemüsebauer einen Multifuktionstraktor, den Multi Tool Trac, mit Diesel-Elektro-Antrieb in Auftrag gegeben.
  • Ein sehr interessanter Ansatz stellte der System-Demonstrator „SymonE“ von STW (Sensor-Technik Wiedemann GmbH) auf der letzten Agritechnica dar: Er ist unter anderem vorgesehen für Tests von elektrifizierten Anbaugeräten mit der AEF Power-Steckdose. Ausgestattet mit einer sehr kompakten Batterie (650V/90kWh), einer MELA-E-Maschine (80 kW) für den 2-Gang-Allradantrieb und einer zweiten E-Maschine für die Brems- und Arbeitshydraulik, ist „SymonE“ vollständig elektrifiziert.
  • Fendt hat bei der Agritechnica 2017 das X-Concept an einem 700er-Vario Traktor mit E-Generator sowie den e100 Vario mit 100 kWh-Batterie und einem Elektromotor präsentiert.
  • Farmtrac hat 2017 in Hannover das allradgetriebene Modell 26 4WD Electric vorgestellt. Dieser Kleinschlepper mit Lithium-Ionen-Akku hat eine Kapazität von 200 Ah und einen 15 kW-Motor.
  • Der e-Power-Aufbau von Kubota kann an die Anbaukonsole am Heck des Traktors angebaut werden und nutzt vollständig Isobus. Das Anbaugerät kann über das Tractor Implement Management die zusätzliche Stromversorgung je nach Bedarf zu- und abschalten.
  • Steyr und FPT Industrial stellten 2019 ein gemeinsam erarbeitetes Hybrid-Traktoren-Konzept vor. Der Motor ist von den Rädern getrennt. Der Antrieb erfolgt über vier unabhängige Elektromotoren, die direkt in die Radnaben eingebaut sind. Das Konzept soll für mehr Effizienz und eine ausgewogene Achslastverteilung sorgen.