„ElEktrischE AntriEbslösungEn wErdEn nicht gEfordErt“

Prof. Dr.-Ing. Alfred Ulrich,� Jahrgang 1949, studierte ab 1973 an der TU Berlin Maschinenbau. Seine Diplomarbeit wird 1978 mit dem Max-Eyth-Nachwuchsförderpreis für die beste agrartechni-sche Abschlussarbeit an deutschen Universitäten ausgezeichnet. Nach seiner Promotion an der TU Berlin 1983 begann er im Jahr darauf seine Laufbahn in der Industrie bei der Joseph Vögele AG. Nach mehreren beruflichen Stationen wurde er 1987 zum Leiter für Technik und Technologie ernannt. Neben seinen beruflichen Tätigkeiten engagierte er sich in dieser Zeit auch sehr stark im VDMA, beispielsweise von 1994 bis 1997 als Vorsitzender der Forschungsvereinigung Bau- und Baustoffmaschinen.

1997 widmete er sich dann einer neuen Herausforderung bei Bauer Mergers & Acquisitions AG als Geschäftsstellenleiter. Gleichzeitig kehrte er an die Hochschule als Lehrbeauftragter an der Berufsakademie Mannheim zurück, wo er sich ab 1998 hauptberuflich in der Ausbildung der Studenten engagierte und die Fachrichtung Mechatronik bei mobilen Arbeitsmaschinen aufbaute. Zwei Jahre später folgte dann die Ernennung zum Pro-fessor am Institut für Landmaschinentechnik und Regenerative Energien der FH Köln. Hier widmet er sich dem Ausbau der Fach-gebiete Bau-, Forst- und Kommunalmaschinen, was zur Gründung des Kölner Labor für Baumaschinen führte.

Die Elektrifizierung ist nicht nur im Automobil ein wichtiger Trend, sondern auch bei Bau-, Kommunal- und Landmaschinen. ATZoffhighway sprach mit Prof. Dr.-Ing. Alfred Ulrich vom Institut für Landmaschinentechnik und Regenerative Energien an der FH Köln über Sinn und Unsinn beim Einsatz von elektrischen Antrieben in diesen Anwendungen.

IntervIew

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AtZoffhighway _ e-Mobilität ist derzeit im Pkw-Bereich der trend. wie sieht dies bei Bau- und Landmaschinen aus?ULrIch _ Bei mobilen Arbeitsmaschinen ist ebenso wie bei Pkw und Lkw eine Ent-wicklung hin zu elektrischen Antrieben zu beobachten, da hier ähnliche Anforde-rungen bezüglich Abgas- und Lärmredu-zierung sowie energieeffiziente Antriebe gelten. Allerdings werden auch bei den Pkw noch keine großen Stückzahlen reali-siert, da der Normalbürger sich zurzeit noch für keine alternative Antriebslösung entscheidet. Bei den mobilen Arbeitsma-schinen stehen wir hier noch am Anfang. Bis jetzt gibt es hier erst ganz wenige fer-tige Lösungen, außer in Nischenanwen-dungen wie beispielsweise bei selbstfah-renden elektrischen Rasenmähern. Hier sind in Zukunft sehr hohe Stückzahlen zu erwarten. Auch bei Mähtraktoren im Leis-tungsbereich bis 5 kW gibt es Standardlö-sungen, die allein durch Lithium-Ionen-Batterien versorgt und mittels elektrischer Motoren angetrieben werden. Des Weite-ren finden sich in großen Dumpern mit Zuladungen von 260 t zunehmend elektri-sche Einzelradantriebe als Standardlösung.

was sind die treiber der elektromobilität?Ein Käufer einer mobilen Arbeitsmaschine verfolgt ganz andere Ziele als der eines Pkw. Der Käufer eines Pkw ist beispiels-weise umweltorientiert und legt deshalb besonderen Wert auf Elektrofahrzeuge. Den Käufer einer mobilen Arbeitsma-schine interessiert aber in erster Linie, wie preiswert bekommt er sein Arbeitsergeb-nis realisiert, das heißt wie hoch sind die Anschaffungs-, die Betriebs- und War-tungskosten und wie hoch ist die Verfüg-barkeit der Maschine. Welche Arbeits-funktionen elektrisch, hydraulisch oder mechanisch realisiert sind oder wie der Energiespeicher gestaltet ist, interessiert nur den technisch orientierten Käufer. Des Weiteren ist für eine schnelle Marktdurch-dringung elektrischer Antriebe bei mobi-len Arbeitsmaschinen der Kenntnisstand dieser neuen Antriebsart im Vertrieb, beim Service und bei den Händlern des Herstellers von entscheidender Bedeu-tung. Besonders dieser Punkt wird häufig unterschätzt. Die Elektromobilität und die Realisierung von Arbeitsfunktionen durch elektrische Antriebe bei mobilen Arbeits-maschinen werden daher derzeit allein vom Gesetzgeber getrieben, beispiels-

weise durch die Abgasgesetzgebung. Die Maschinenhersteller versuchen, die hier aufgestellten Forderungen so kostengüns-tig wie möglich zu realisieren, beispiels-weise durch dieselelektrische Lösungen.

was sind die vorteile der elektrifizierung in Bau- und Landmaschinen?Vorteile sind unter anderem der höhere Wirkungsgrad sowie die Überlastbarkeit von elektrischen Motoren gegenüber hyd-raulischen Lösungen. Weiterhin sind zu nennen die Verschleißarmut, der stark

reduzierte Wartungsaufwand und die Zuverlässigkeit. Und last but not least die gute Regelbarkeit, der hohe Funktionsum-fang der Umrichter, der umweltfreundliche Betrieb, da keine Leckagen auftreten kön-nen, die Geräuscharmut sowie die gegen-über der Hydraulik einfache Installation durch den Wegfall von Verrohrungen etc. Wenn ich das gesamte Potenzial der Auto-matisierung mitbetrachte, können elektri-sche Lösungen heute schon kostengünsti-ger als ihre hydraulischen Pendants sein.

In welchen Anwendungen werden hydraulische durch elektrische Antriebe ersetzt?Bei allen rotatorischen Antrieben, wo das Gewicht und der Bauraum eine unterge-ordnete Rolle spielen, ist das Potenzial für elektrische Aktoren gegeben. Beispiele hierfür sind der Schwenkantrieb beim Bagger, die Antriebe einer Vibrations-walze und Straßenfertiger etc. Bei allen Hubbewegungen, bei denen hohe Kräfte und Verstellgeschwindigkeiten gefordert

werden und das Gewicht des Aktors eine maßgebliche Rolle spielt, können Hydrau-liklösungen beispielsweise nicht durch Hubspindelmotoren ersetzt werden. Als klassische Anwendungsfälle lassen sich hierfür die Hubhydraulik beim Radlader, Bagger oder die Mastverstellung von Betonpumpen nennen. Wenn es um kleine Verstellleistungen geht, kommt der elektrische Hubspindelantrieb zum Ein-satz. Zum Verstellen von Klappen beim Mähdrescher sind heute beispielsweise 12-V-Linear-Aktuatoren Standard. Auch beim Straßenfertiger ließe sich beispiels-weise auf sehr einfache Weise die hydrau-lische Aktorlösung für die Bohlenbewe-gung durch eine Elektrische ersetzen. Für die hier benötigten sechs Funktionen, Bohle heben, senken, halten, drücken, entlasten und Schwimmstellung muss bis auf die Schwimmstellung ein erheblicher Aufwand getrieben werden. Würde man diese Aufgaben mit einem elektrischen Aktor lösen, hätte man die Start-Stopp-Funktion fast kostenlos durch die Selbst-hemmung. Die Funktionen Bohle be- und entlasten sowie die Schwimmstellung könnte man relativ einfach über einen Kraftregler realisieren.

warum ersetzt man die Antriebslösungen dann nicht?Der Hauptgrund liegt wohl darin begrün-det, dass die elektrische Antriebslösung von den Kunden der Branche der mobilen Arbeitsmaschinen nicht gefordert wird. Da Unternehmungen in erster Linie Kun-denanforderungen erfüllen und dies mit der Technik, die sie beherrschen und die sich im Markt etabliert hat, wird es keine

Prof. Ulrich ist sich sicher, dass wir bezüglich

E-Mobilität bei den mobilen Arbeitsmaschinen

noch ganz am Anfang stehen

Prof. Ulrich is convinced that we are still

at the initial stage of electromobility in the case

of mobile machines

„Wenn ich das gesamte Potenzial

der Automatisierung mitbetrachte,

können elektrische Lösungen kos-

tengünstiger als ihre hydraulischen

Pendants sein.“

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nennenswerten elektrischen Antriebs-lösungen bei mobilen Arbeitsmaschinen geben, solange keine wirtschaftliche, technische oder vom Gesetzgeber her ver-langte Notwendigkeit hierzu besteht. Des Weiteren ist die Einführung einer neuen Technik im Markt mit erheblichem Auf-wand für Schulungen im eigenen Haus verbunden. Aus eigenen Erfahrungen weiß ich, wie bei der Einführung des weltweit ersten dieselelektrischen Stra-ßenfertigers vor circa 20 Jahren dieser Aufwand unterschätzt wurde. Ein weite-

rer Grund, warum elektrische Antriebs-lösungen nur langsam bei mobilen Arbeits-maschinen umgesetzt werden, dürfte die sich erst allmählich entwickelnde Kom-petenz bei den Unternehmen der Arbeits-maschinen auf den Gebieten der elektri-schen Antriebstechnik und Leistungselek-tronik in Verbindung mit mechatronischen Ansätzen sein.

hybridbaumaschinen sieht man nur auf Messen,� bei Kunden werden sie nicht angefragt. woran liegt das?Wenn man dem Kunden nicht vermitteln kann, welche anwendungstechnischen

und wirtschaftlichen Vorteile er beim Kauf einer Hybridbaumaschine erhält, wird er diese nicht kaufen und auf alt-bewährte hydraulische Antriebslösungen setzen. Auch Argumente, wie in fünf Jahren hat sich die höhere Investition durch Kraftstoffeinsparung gerechnet, überzeugen Kunden der Bau- und Land-maschinenbranche nicht.

was wären die richtigen Argumente?Erst wenn man beginnt, das gesamte Potenzial der Hybridisierung einer Arbeitsmaschine zu nutzen, ist es mög-lich, mit einer Vielzahl von Vorteilen den Kunden zu überzeugen. Das heißt der Entwicklungsprozess einer Hybridisierung muss bereits mit dem Arbeitsprozess beginnen und alle Arbeitsfunktionen der Maschine beinhalten. Hier liegt häufig das Problem, dass nicht alle Maschinen-hersteller eine ausreichende Kompetenz im Anwendungsbereich ihrer Maschinen auf ingenieurmäßigen Niveau besitzen. Für eine erfolgreiche Hybridisierung einer mobilen Arbeitsmaschine ist es nicht ausreichend, nur die Antriebsart zu wechseln.

Also ich bin mir sicher,� dass die Konstrukteure der Maschinenhersteller sehr viel vom Arbeitsprozess verstehen.Abgesehen von Ausnahmen kann ich Ihnen Ihre Aussage nicht bestätigen. Es ist daher auch nicht überraschend, dass in der Vergangenheit eine Vielzahl von inno-

vativen Neuentwicklungen durch Bau-unternehmen selbst angestoßen und reali-siert wurden.

Sie meinen also,� dass die Konstrukteure der OeMs nicht sehr gut die Anwendungen ihrer Kunden kennen und sich mit diesen auch nicht rege über deren Anforderungen austauschen?Vielleicht lässt sich dies so beantworten: Oberflächlich gesehen kennen natürlich die Entwickler die Anwendungen ihrer Kunden. Für eine zielgerichtete innovative und erfolgreiche Weiterentwicklung von Arbeitsmaschinen ist dies jedoch nicht ausreichend. Erst wenn die Entwickler und Konstrukteure des Maschinenherstel-lers verstehen, wie die Kunden betriebs-wirtschaftlich mit den ihnen zur Ver-fügung stehenden Arbeitsfunktionen Aufträge abarbeiten, und diese dann funktionsgerecht einzusetzen, sind die Voraussetzungen für eine erfolgreiche Entwicklung gegeben.

Dies sind also die Gründe,� warum alternative Antriebslösungen bei den herstellern nicht oder nur zögernd eingesetzt werden?Ich denke, um zu verstehen, wie sich neue Techniken zum Beispiel im Bau-maschinenmarkt erfolgreich umsetzen lassen, sind die Einführung der Mobil-hydraulik Ende der 50er-Jahre oder die Einführung des CAN-Busses in die Fahr-zeugelektronik bei Arbeitsmaschinen gute Beispiele. Hier wurde gezeigt, dass die Marktdurchdringung über Jahrzehnte andauern kann, bis sich die neue Ent-wicklung zum Stand der Technik etabliert hat. Bei der Einführung neuer Antriebs-techniken in die Branche der mobilen Arbeitsmaschinen wird es mit Sicherheit nicht schneller gehen. Ein weiterer Punkt der bei der Beurteilung der Einführung alternativer Antriebslösungen beachtet werden muss, ist die Weiterentwicklung der Mobilhydraulik besonders bei der Hybridisierung mit hydraulischen Komponenten.

herr Professor Ulrich,� vielen Dank für das Gespräch.

IntervIew: Andreas Fuchs

FOtOS: Tillmann Franzen

Prof. Ulrich im Gespräch mit Andreas Fuchs, Chefkorrespondent ATZoffhighway

Prof. Ulrich in conversation with Andreas Fuchs, Chief Correspondent ATZoffhighway

„Nicht alle Maschinenhersteller

besitzen eine ausreichende

Kompetenz im Anwendungs-

bereich ihrer Maschinen.“

IntervIew

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“ElEctric drivE solutions ArE not in dEmAnd”

Prof. Dr.-Ing. Alfred Ulrich,� born in 1949, studied mechanical engineering at the TU Berlin in 1973. In 1978, his diploma thesis won the Max Eyth Award for the Advancement of Young Engi-neers for the best agricultural engineering thesis at a German university. After his doctorate at the TU Berlin in 1983, he began his career in industry at Joseph Vögele AG. Following several professional positions at the company, he was appointed director of Engineering and Technology. In addition to his professional activities during this period, he was also very strongly involved in the VDMA, for example as Chairman of the Research Association of Construction Equipment and Building Material Machinery from

1994 to 1997. In 1997, he took on a new challenge at Bauer Mergers & Acquisitions AG as office manager. At the same time, he returned to university life as an assistant lecturer at the Berufsakademie Mannheim, where, in 1998, he took on a full-time teaching position and set up the Faculty of Mechatronics for Mobile Machines. Two years later, he was appointed as Pro-fessor at the Institute of Agricultural Engineering and Renewable Energies at Cologne University of Applied Sciences. His responsi-bilities included expanding the faculties of Construction, Forestry and Municipal Machines, which led to the founding of the Cologne Laboratory for Construction Machines.

Electrification is an important trend not only in cars but also in construction, municipal and agricultural machines. ATZoffhighway spoke to Prof. Dr.-Ing. Alfred Ulrich from the Institute of Agricultural Engineering and Renewable Energies at Cologne University of Applied Sciences about the benefits and drawbacks of using electric drive systems in these applications.

AtZoffhighway _ electromobility is currently a major trend in the car sector. what is the situation with regard to agricultural and con-struction machines?ULrIch _ For mobile machines, a similar development towards electric drive systems can be observed as in passengers cars and commercial vehicles, as similar requirements apply concerning a reduc-tion in emissions and noise and the need for energy-efficient drive systems. How-ever, as in the case of passenger cars, pro-duction volumes are not yet high, as con-sumers are not yet deciding in favour of an alternative drive solution. As far as mobile machines are concerned, we are still at the beginning. So far, there are only very few fully developed solutions, with the exception of niche applications such as automatic, self-propelling electric lawnmowers. Very high production volumes are expected here in the future. There are also standard solutions availa-ble for mowing tractors in the power range up to 5 kW, which can be powered by lithium-ion batteries alone and by elec-tric motors. Furthermore, electric single-wheel drive systems can increasingly be

found as a standard solution in large dumper trucks with payloads of 260 t.

what are the main drivers of electromobility?Someone purchasing a mobile machine has quite different objectives from those of a car buyer. A car buyer, for example, is environmentally oriented and therefore considers electric cars to be particularly important. The purchaser of a mobile machine, on the other hand, is primarily interested in how cost-effectively he can carry out his work. In other words, he wants to know how high the purchasing, running and maintenance costs are and how high the level of availability of the machine is. Only a technically oriented buyer is interested in which working func-tions are performed electrically, hydrauli-cally or mechanically, or what type of energy storage system is used. Further-more, the level of knowledge about this new drive system in the sales and service networks and at the manufacturers’ dealers is of decisive importance for a fast market penetration of electric drive systems in mobile machines. This point in particular is often underestimated. There-

fore, electromobility and the application of electric drive systems for working func-tions in mobile machines is currently being driven by the government alone, for exam-ple through emissions legislation. Machine manufacturers are trying to meet the requi-rements as cost-effectively as possible, for example with diesel-electric solutions.

“If I also take the overall potential

of automation into consideration,

electric solutions can already

be more cost-effective than their

hydraulic counterparts.”

what are the advantages of electrification in agricultural and construction machines?The advantages include their higher efficiency and the overload capability of electric motors compared to hydraulic solutions. Other advantages include low wear, much lower maintenance require-ments and reliability. And, last but not least, their good controllability, the high functional range of the converters, their environmentally friendly operation, as no

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leaks can occur, their low-noise operation and their simple installation compared to hydraulic systems due to elimination of piping, etc. If one also takes the overall potential of automation into considera-tion, electric solutions can already be more cost-effective than their hydraulic counterparts today.

In which applications will hydraulic drive systems be replaced by electric systems?In all rotational drive systems in which weight and installation space play a secondary role, there is potential for the use of electric actuators. Examples include the slew drive in excavators and the drives for vibrating rollers and road paving machines. In all lifting motions in which high forces and adjustment speeds are required and in which the weight of the actuator plays a decisive role, hydrau-lic solutions cannot be replaced, for exam-ple, by lifting spindle motors. Typical exa-mples are the lifting hydraulics in wheel loaders and excavators and the mast adjustment hydraulics in concrete pumps. If only low adjustment power is required, electric lifting spindle motors can be used. For example, 12 V linear actuators are now the standard today for the adjust-ment of flaps in combine harvesters. Also in the case of road paving machines, the hydraulic actuators used to move the screed, for example, can very easily be replaced by an electric solution. The six functions required – lift, lower, hold, load and release the screed as well as move to the float position – need considerable effort, with the exception of the float function. If these functions were perfor-med by an electric actuator, we would have the start-stop function virtually free of charge through the self-locking effect. The ‘load and release the screed’ func-tions and the ‘float’ function could be implemented relatively easily via a force controller.

why aren’t the drive systems therefore being replaced?The main reason is that electric drive solutions are not in demand by customers in the mobile machine sector. As compa-nies are primarily concerned with fulfil-ling customer specifications and doing this by using technology that they master and which is established on the market, there will be no significant electric drive

solutions in mobile machines as long as there is no economic, technical or legis-lative necessity. What is more, the intro-duction of new technology to the market is always linked with considerable cost and time for training within the company. From my personal experience, I know that this was underestimated when the world’s first electric road paver was launched about 20 years ago. A further reason why electric drive solutions are not being implemented very quickly in mobile machines is the fact that expertise on the part of the machine manufacturers in the field of electric drive systems and power electronics in connection with mechatro-nic approaches is only developing slowly.

hybrid construction machines can be seen only at trade fairs,� whereas customers do not seem to be demanding them. why is that? If one cannot convey to customers what application-related and economic advan-tages they would achieve by buying a hybrid machine, they will not buy one and will prefer to stay with tried and tested hydraulic drive solutions. Argu-ments that the higher investment will pay for itself within five years due to savings in fuel consumption do not convince customers in the construction and agricul-tural industry either.

“Not all machine manufacturers

have sufficient expertise in the

application of their machines.”

what would be the right arguments?Only when we begin to use the full potential offered by the hybridisation of a machine will it be possible to convince the customer with a wide range of bene-fits. That means that the development process of a hybrid system must already begin with the working process and must contain all of the machine’s working functions. It is often a problem that not all machine manufacturers have sufficient expertise in the application of their machines on an engineering level. The successful hybridisation of a mobile machine requires more than just changing the drive system.

well,� I’m sure that the design engineers at the machine manufacturers understand a great deal about the working process.

Apart from some exceptions, I‘m afraid I can’t confirm your statement. It is there-fore not surprising that a large number of innovative new developments in the past were initiated and implemented by construction companies themselves.

Are you saying that the design engineers at OeMs do not know their customers’ appli-cations very well and do not find out about their requirements in close consultation with them? Perhaps I could put it like this: on a superficial level, the developers are of course familiar with their customers’ applications. However, this is not suffi-cient for targeted innovative and success-ful further developments of machines. Only when the developers and engineers at the machine manufacturers understand how the customers commercially execute their orders with the working functions at their disposal and then apply these in accordance with the functions will the requirements for a successful develop-ment be fulfilled.

So are these the reasons why alternative drive solutions are not being implemented,� or being implemented only hesitantly,� by manufacturers?I believe that, in order to understand how new technologies can be successfully implemented, for example on the construction machine market, we can take the introduction of mobile hydraulics in the late 1950s or the introduction of the CAN bus into vehicle electronics as good examples. They showed that market pene-tration can take decades before the new technology becomes established as state-of-the-art. The introduction of new drive technology in the field of mobile machines will certainly not take place more quickly. A further point that must be considered when assessing the intro-duction of alternative drive solutions is the further development of mobile hydraulics, in particular with regard to hybridisation with hydraulic components.

Professor Ulrich,� thank you very much for this interview.

IntervIew: Andreas Fuchs

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Antriebs- und Fahrwerktechnik

Und das ist nur ein Grund für die Verwendung von ZF Antriebstechnologie für Baumaschinen. Produktivitätssteigerung, weniger Reifenverschleiß und hoher Bedienkomfort – bei gleichzeitiger Reduzierung der Betriebskosten – sind weitere Herausforderungen, die unsere Driveline mit dem Anspruch der Technologie führerschaft meistert. Auf ZF ist Verlass – bei jedem Einsatz.

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