Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Mobilbagger werden häufig in innerstädtischen Baustellen eingesetzt, weil diese sich mit geeigneter Zulassung auf den öffentlichen Strassen bewegen können. Ein Mobilbagger ist vor allem auch ein universeller Anbaugeräteträger und keine Maschine, die stets die maximale Leistung abruft. Bagger verursachen prinzipiell eine hohe Umweltbelastung, durch Abgase und Lärm, was vor allem in den Städten heute nicht mehr akzeptiert wird. Die Herausforderung, die Maschineneffizienz so hoch wie möglich zu gestalten, um einen ganzen Arbeitstag mit einer Batterieladung zu ermöglichen, gilt es zu meistern. Dies wird untersucht anhand von Optimierungen in der Hydraulik und von rotatorischen Direktantrieben durch separate Elektromotoren. Dieses Konzept ermöglicht sogar über unterschiedliche Antriebe wieder Energie rückzugewinnen. Die Schnellladung stellt ein integraler Bestandteil im Maschinenkonzept dar, um die Batterie so klein wie möglich und so gross wie nötig auszulegen. Eine komplette Aufladung muss innerhalb einer Stunde möglich sein, um ebenbürtige Bereitschaft darzustellen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Wheeled excavators are often used on inner-city construction sites because they can move on public roads with the appropriate license. Above all, a wheeled excavator is a universal attachment carrier and not a machine that always demands maximum performance. In principle, excavators cause a high level of environmental pollution due to exhaust fumes and noise, which is no longer acceptable, especially in cities. The challenge is to make the machine as efficient as possible in order to enable an entire working day on one battery charge. This is being investigated by optimizing the hydraulics and rotary direct drives with separate electric motors. This concept even enables energy to be recovered via different drives. Fast charging is an integral part of the machine concept in order to make the battery as small as possible and as large as necessary. A complete charge must be possible within one hour in order to achieve the same level of readiness.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Les pelles sur pneus sont souvent utilisées sur les chantiers urbains, car elles peuvent se déplacer sur la voie publique avec une autorisation appropriée. Une pelle sur pneus est avant tout un porte-outils universel et non une machine qui fonctionne toujours au maximum de ses capacités. Les pelles mécaniques sont en principe très polluantes, en raison des gaz d'échappement et du bruit, ce qui n'est plus accepté aujourd'hui, surtout dans les villes. Il s'agit de relever le défi d'augmenter au maximum l'efficacité de la machine afin de permettre une journée de travail complète avec une seule charge de batterie. Ce point est étudié à l'aide d'optimisations de l'hydraulique et des entraînements rotatifs directs par des moteurs électriques séparés. Ce concept permet même de récupérer de l'énergie via différents entraînements. La charge rapide fait partie intégrante du concept de la machine, afin que la batterie soit aussi petite que possible et aussi grande que nécessaire. Une charge complète doit pouvoir être effectuée en une heure pour que la machine soit prête à l'emploi.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Mobilbagger werden häufig auf innerstädtischen Baustellen eingesetzt, da sie sich mit entsprechender Zulassung auf öffentlichen Strassen bewegen können und so als flexibles Bindeglied zwischen mehreren Einsatzorten dienen. Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und in Kombination mit diversen Anbaugeräten eignen sich Mobilbagger besonders für die Elektrifizierung. Das elektrische Mobilbagger- Projekt ZE150W setzt mit zwei Prototypen unterschiedliche Elektrifizierungsstufen um. Die erste Maschine verfügt neben einem elektrischen Pumpen-Antriebsstrang auch über einen elektrischen Fahrantrieb. Die Zweite wurde zusätzlich mit einem elektrischen Schwenkantrieb und ein elektrohydraulischen Hubsystem ausgestattet. Die Messergebnisse zeigten deutliches Energieeinsparpotenzial des elektrischen Fahrantriebs, der den Energiebedarf im Vergleich zum hydraulischen Antrieb durchschnittlich um über 70% (~27 kWh/h) senken konnte. Der elektrische Schwenkantrieb zeigte je nach Einsatzszenario Einsparungen von bis zu 80% (3 bis 7 kWh/h), verglichen mit dem Hydraulischen. Der Hubzylinder erzielte Einsparungen von 50 bis 80% (4 bis 10 kWh/h), was noch weiter gesteigert wird, durch massiv reduzierte Drosselverluste. Für einen aus Ladespiel, Aushub und diversen Fahrten zusammengestellten Arbeitstag wird eine Einsparungspotenzial von bis 40% (20 kWh/h) gegenüber dem rein hydraulischen Elektrobagger erwartet. Auch wenn die Ansteuerung und Integration noch weiterentwickelt werden müssen, ist die Grundlage für eine innovative Lösung zu einer signifikanten Reduktion des Energieverbrauchs gelegt. Allgemein bestand eine zentrale Herausforderung darin, die über Jahre hinweg optimierte Hydraulik des Herstellers anzupassen und neue Aktuatoren hinzuzufügen, ohne das von Anwendern erwartete präzise Bediengefühl zu beeinträchtigen. Neben technischen Ergebnissen lieferte das Projekt auch wertvolle Erkenntnisse von Demonstrationen und Pilotbaustellen. Die CO2-Bilanz fällt mit 80% reduzierten CO2eq gegenüber dem konventionellen Bagger hingeben deutlich zugunsten der elektrischen Varianten aus. Der parallele Aufbau zweier unterschiedlicher Prototypen mit variierenden Softwareständen und Komponenten brachte zwar einen erhöhten Entwicklungsaufwand mit sich, führte jedoch zu einer guten Vergleichbarkeit und schärfte das Verständnis für die Systeminteraktion und ermöglicht neue Massstäbe im Thema Energieeffizienz. Gleichzeitig wurden bestehende und neue Partnerschaften wichtigen Zulieferern und dem OEM selbst gestärkt. Insgesamt bestätigt das Projekt, dass eine erweiterte Elektrifizierung des Mobilbaggers technisch machbar ist, auch wenn für die Serienreife weitere Optimierung in der technischen Feinabstimmung und bei den Herstellungskosten notwendig bleiben. Mit den gewonnenen Erkenntnissen, dem grossen Marktinteresse und den geplanten Folgeprojekten ist die Grundlage für eine erfolgreiche Serieneinführung geschaffen. Damit leistet der ZE150W einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung und zur nachhaltigen Transformation von Baustellen.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Mobile excavators are widely used on urban construction sites because, with the appropriate approval, they can travel on public roads and therefore serve as a flexible link between multiple work locations. Due to their versatile applications and compatibility with a wide range of attachments, mobile excavators are particularly well suited for electrification. The ZE150W electric mobile excavator project implements different electrification levels with two prototypes: the first machine features an electric pump drive and an electric travel drive, while the second is additionally equipped with an electric swing drive and an electrohydraulic lifting system. The measurement results showed significant energy-saving potential for the electric drive, which reduced energy consumption by over 70% (~27 kWh/h) compared to the hydraulic drive. Depending on the application scenario, the electric swivel drive showed savings of up to 80% (3 to 7 kWh/h) compared to the hydraulic drive. The lift cylinder achieved savings of 50 bis 80% (4 bis 10 kWh/h), which is significant due to its high energy consumption. For a working day consisting of loading, excavation and various trips, a savings potential of up to 40% (20 kWh/h) is expected compared to a purely hydraulic electric excavator. Even though the control system and integration still need to be further developed, the foundation for an innovative solution that significantly reduces energy consumption has been laid. In general, a key challenge was to adapt the manufacturer's hydraulics, which had been optimised over many years, and add new actuators without compromising the precise operating feel expected by users. In addition to technical results, the project yielded valuable insights from demonstrations and pilot construction sites. The CO2 footprint is clearly improved, with approximately 80 percent lower CO2-equivalent emissions compared to a conventional excavator. Building two prototypes in parallel with differing software versions and component configurations increased development effort but enabled meaningful comparisons, sharpened understanding of system interactions, and set new efficiency benchmarks. At the same time, the project strengthened existing and new partnerships with key suppliers and the OEM. Overall, the project confirms that extended electrification of mobile excavators is technically feasible, even though further optimization in technical fine-tuning and production costs is required for series readiness. With the insights gained, strong market interest, and planned follow-up projects, the foundation for a successful market introduction has been established. The ZE150W thus makes an important contribution to decarbonizing and sustainably transforming construction sites.
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Schlussbericht
(Französisch)
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Les pelles mobiles sont fréquemment utilisées sur les chantiers urbains, car elles peuvent circuler sur la voie publique avec l’autorisation appropriée et servent ainsi de maillon flexible entre plusieurs sites d’intervention. En raison de leurs nombreux domaines d’application et de leur compatibilité avec une large gamme d’accessoires, elles se prêtent particulièrement bien à l’électrification. Le projet de pelle mobile électrique ZE150W réalise deux niveaux d’électrification au moyen de deux prototypes : la première machine dispose d’une transmission électrique de pompe ainsi que d’un entrainement de translation électrique, tandis que la seconde est en outre équipée d’un moteur d’orientation électrique et d’un système de levage électrohydraulique. Les résultats des mesures ont montré un potentiel d'économie d'énergie significatif pour l'entraînement électrique, qui a permis de réduire la consommation d'énergie de plus de 70% (~27 kWh/h) par rapport à l'entraînement hydraulique. Selon le scénario d'utilisation, l'entraînement électrique pivotant a permis de réaliser jusqu'à 80% (3 à 7 kWh/h) d'économies par rapport à l'entraînement hydraulique. Le vérin de levage a permis de réaliser des économies de 50 à 80% (4 à 10 kWh/h), ce qui est significatif en raison de sa forte consommation d'énergie. Pour une journée de travail composée d'un cycle de chargement, d'excavation et de divers déplacements, on peut s'attendre à un potentiel d'économies pouvant atteindre 40% (20 kWh/h) par rapport à une pelle électrique purement hydraulique. Même si la commande et l'intégration doivent encore être perfectionnées, les bases d'une solution innovante permettant une réduction significative de la consommation d'énergie sont posées. De manière générale, l'un des principaux défis consistait à adapter le système hydraulique du fabricant, optimisé au fil des ans, et à ajouter de nouveaux actionneurs sans nuire à la précision de commande attendue par les utilisateurs. Outre les résultats techniques, le projet a fourni des enseignements précieux issus de démonstrations et de chantiers pilotes. Le bilan CO2 est quant à lui clairement en faveur des variantes électriques, avec une réduction d’environ 80% des émissions eq-CO2 par rapport à une pelle conventionnelle. La construction parallèle de deux prototypes différant par leurs logiciels et leurs composants a certes accru l’effort de développement, mais elle a permis une comparaison cohérente, a approfondi la compréhension des interactions systémiques et a établi de nouvelles références en matière d’efficacité énergétique. En même temps, le projet a renforcé les partenariats existants ainsi que les collaborations avec de nouveaux fournisseurs et avec l’OEM. Dans l’ensemble, le projet confirme que l’électrification étendue d’une pelle mobile est techniquement réalisable, même si des optimisations sont encore nécessaires pour atteindre la maturité de série, tant sur le plan technique que sur celui des couts de production. Avec les connaissances acquis, le fort intérêt du marché et les projets de suivi prévus, les bases d’une introduction réussie en série sont réunies. Le ZE150W apporte ainsi une contribution importante à la décarbonation et transformation durable des chantiers.
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