Hohe Leistungsdichte

Exklusiv in KEM Der Autorin Nicole Hillmayr, Journalistin aus Tübingen, verfasste den Beitrag für die Bolenz & Schäfer GmbH, Biedenkopf

Hydraulische Energierückgewinnung ist technologischer Trend, obwohl die Grundlagen schon vor Jahrzehnten gelegt wurden: Bolenz & Schäfer entwickelt und produziert seit mehr als 60 Jahren Kolbenspeicher für unterschiedlichste Anwendungen und seit mehr als 25 Jahren speziell für den Nutzfahrzeug- und Baumaschinenbereich. Die weltweite Tendenz hin zu immer energieeffizienteren und Kraftstoff sparenderen Lösungen bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte macht Hydrospeicher aktueller denn je. Sie bieten genau die Attribute, die heute gefragt sind: Hohe Energieeffizienz sowie in kürzester Zeit abrufbare Hochleistung und größtmögliche Sicherheit.

Und die Hydrospeicher des Unternehmens aus dem hessischen Biedenkopf können noch mehr: Umfangreiche Entwicklung und Erprobung ermöglichten es, das Gewicht der Speicher zu optimieren, Tieftemperatur-Einsätze zu leisten und erlauben gesteigerte Leistung bei geringerem Energieverbrauch und reduzierter CO2-Emission. Auch ein Energy-Monitoring ist heute durch integrierbare Messeinrichtungen kein Problem mehr.

Bolenz & Schäfer (BSD) gehört zu Roth-Industries, einem inhabergeführten Familienunternehmen mit weltweit über 1000 Mitarbeitern in den Bereichen Maschinen- und Aggregatebau sowie Gebäude- und Kunststoff-Technik. BSD gilt auf dem Markt als ein Hydrospeicher-Experte, der nicht nur Standardprodukte liefert, sondern auch maßgeschneiderte Lösungen für spezielle Anwendungen.

Eine dieser Lösungen lieferte BSD für Nutz- und Baufahrzeuge, die keine langen Entfernungen zurücklegen, sondern ständig im Stop-and-go-Betrieb sind. In Großfahrzeugen sind Dieselmotoren zweifellos die leistungsfähigsten Antriebe. Doch die Abgas- und Geräuschentwicklung sowie der enorme Energiebedarf im Stop-and-go-Betrieb belasten die Ökobilanz. Gerade durch häufige Bremsmanöver geht viel Energie als Wärme verloren.

Diese Energie kann durch den Einsatz von Fluidtechnik sinnvoll umgewandelt und gespeichert werden, um sie als Kraft zum Beschleunigen einzusetzen. Hierfür eignen sich Hybrid-Lösungen zur dieselhydraulischen Bremsenergie-Rückgewinnung. Sie speichern kinetische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad statt wie beim Bremsen üblich Reibungshitze zu verursachen.

Diese Lösung funktioniert mit hydrostatischen Axialkolbenmotoren und Hydraulikspeichern. Dabei arbeitet der Antriebsstrang in der Brems- und Leerlaufphase komplett unabhängig vom Motor. Die hydrostatischen Maschinen füllen den Speicher während des Bremsvorgangs gegen den Gasdruck, wobei sie die Bewegungsenergie abbauen und die Fahrzeuggeschwindigkeit reduzieren – bei Bedarf bis hin zum Stillstand. Beim Beschleunigen arbeitet der Hydromotor als Antrieb und nutzt den Speicherdruck zum Beschleunigen des Fahrzeugs. Als Hydrospeichersystem lassen sich sowohl Einzelspeicher als auch Speichereinheiten mit Zusatzbehältern einsetzen. Diese können beim Bremsen mit bis zu 350 bar aufgeladen werden.

Einige Systeme verwenden die Speicherhydraulik zusätzlich zum Starten des Motors nach einem kurzen Stopp. Dieses dieselhydraulische Prinzip ist also eine willkommene Möglichkeit den Kraftstoffverbrauch um bis zu 25 % zu senken, den Verschleiß der Bremsen und somit Wartungskosten zu reduzieren sowie die Umwelt durch Schadstoff-Minimierung und Feinstaub- Reduzierung zu schonen.

Die hohe Leistungsdichte ist ein unumstrittenes Argument für Hydrospeicher. Kolbenspeicher von (BSD) kommen beispielsweise als Energiespeicher und Hydraulik-Booster in Hebevorrichtungen für Ladekräne zum Be- und Entladen von Schiffscontainern mit einem Gewicht von über 30 t zum Einsatz. Ein innovatives Antriebssystem auf Hybridbasis, die Pactronic von Liebherr, ist hierfür mit einem zusätzlichen Energiespeicher von BSD ausgestattet. Der hydraulische Akkumulator erlaubt ein schnelles Laden und Entladen. Er arbeitet mit einer Kombination aus Stickstoff und Hydraulikflüssigkeit. Somit ist das System nahezu wartungsfrei.

Da das Speichersystem dauerfest ausgelegt ist, sind im Wesent- lichen nur die gesetzlich vorgeschriebenen wiederkehrenden Prüfungen im Abstand von zehn Jahren erforderlich.

Beim Pactronic-System befindet sich ein Hydro-Speichersystem im Fluidkreislauf. Es liefert 25 s lang zusätzlich etwa 400 kW Leistung für die Hydraulik. Beim Herunterlassen der Container nimmt es die Energie auf, die bisher in Wärme umgewandelt wurde und damit nutzlos war. So ist eine Hub-Energierückgewinnung von bis zu 30 % möglich. Zugleich lädt sich das Kolbenspeichersystem außerhalb der Hebephase über den Motor auf.

Damit hat man einen hydraulischen Booster, der ohne zusätzliches Aggregat die Geschwindigkeit der Hebebewegung verdoppelt. Der komplette Arbeitsablauf wird bis zu 30 % schneller. Der Booster-Effekt und der Energiespeicher ermöglichen eine höhere Leistung bei gleichzeitig 30 % geringerem Energieverbrauch und 30 % geringerem CO2-Ausstoß. Hier ist die Hydraulik wohl unübertroffen.

Die enorme Antriebsleistung von Kolbenspeichern wird am Beispiel einer hydraulisch betriebenen Achterbahn im Ferrari-Themenpark in Abu Dhabi deutlich. Diese weltweit wohl leistungsfähigste hydraulische Achterbahn beschleunigt in 2 s auf 100 km/h, nach 4,9 s erreicht der Wagen sogar 240 km/h. Das entspricht der Startphase eines Formel-I-Wagens.

Dabei gibt die Hydraulik eine Leistung von etwa 17,5 MW ab. Dies wird erst durch die Speicheranlage von BSD mit einem Volumen von insgesamt 45 000 l möglich. Hier beträgt das Kolbenspeichervolumen 3000 l, die restlichen 42 000 l befinden sich in angebauten Gasbehältern. Der höchste zulässige Betriebsdruck der Komponenten darf hier 350 bar nicht überschreiten.

Solche Leistungen können natürlich nur durch eine Kombination aus langjährigem Know-how und dem Einsatz qualitativ hochwertiger Materialien erreicht werden. BSD garantiert beides. Das hessische Unternehmen hat umfangreiche Erfahrungen in der Verarbeitung von rollierten und gehonten Zylindern. Sie bieten eine nahezu reibungsfreie Lauffläche und schonen so die hochwertigen Dichtungskombinationen. Das Resultat ist ein Minimum an Verschleiß, auch bei sehr häufigen Lastwechseln unter hohem Druck. Gleichzeitig wird der Energieverlust durch Reibung minimiert.

Diese Speichersysteme von BSD funktionieren selbst in Extremtemperatur-Anwendungen bei -60 oder +200 °C problemlos. Auch ihr Gewicht konnte im Vergleich zu anderen Hydrospeicher-Systemen durch den Einsatz besonderer Stähle und neuartiger Verbundstoffe um bis zu 60 % reduziert werden. Nur so lassen sich die besondere Anforderungen an Gewicht und Druck erfüllen.

Gegenüber Elektrobatterien bieten Hydraulikspeicher klare Vorteile: Sie können ohne bleibende Schäden tiefenentladen werden und sind zudem bei Tiefsttemperaturen problemlos einsetzbar.

Durch ihre höhere Leistungsdichte eignen sie sich bestens für große Massen mit intensiven Brems- und Beschleunigungszyklen, gerade bei kurzzeitigem Leistungsbedarf. Dies wiederum gewährleistet äußerste Betriebssicherheit und einen hohen Nutzungsgrad.

Die Hydraulikspeichersysteme lassen sich einfach in bestehende Systeme integrieren. Basierend auf einer validierten Technik ist so kein Qualifizierungsbedarf für das Inbetriebnahme- und Servicepersonal notwendig. Und die Investitions- und Betriebskosten bleiben niedrig.

All dies sind optimale Voraussetzungen für energieeffizientere mobile Fahrzeuge und Maschinen. Denn eine Energierückgewinnung mit einer Effizienz von bis zu 30 % lässt sich derzeit wohl nur mit modernen Hydraulikspeichern erreichen.

Bolenz & Schäfer,

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