01.10.2014

Energiemanagement für den Containerumschlag im Hafen

Diesel-elektrische Systeme für mobile Arbeitsmaschinen

Arbeiten mobile Maschinen im Mehrschichtbetrieb rund um die Uhr, summieren sich schon kleinste Energieeinsparungen schnell zu nennenswerten Beträgen. Klassisches Beispiel dafür sind die drei Containerumschlagsysteme einschließlich Hafenmobilkran, automatisierte, fahrerlose Transportfahrzeuge (AGV) und Portalstapler (Straddle Carrier). Seit einigen Jahren werden hier Maschinen mit Diesel-hydraulischem Antrieb durch Diesel-elektrische Systeme ersetzt.


Bild 1: Bei Portalstaplern wird die eingesetzte Primärenergie für die Hubeinrichtung und das Fahrwerk benötigt. Energie aus Absenk- bzw. Bremsvorgängen lässt sich dabei gut rückspeisen.
Bild: Terex Port Solutions

Der Dieselantrieb kann dann im optimalen Betriebsbereich laufen, benötigt weniger Treibstoff und die Wartungsintervalle des Gesamtsystems verlängern sich. Es geht aber noch wirtschaftlicher: Ein intelligentes Gesamtsystem, bei dem Generatorsteuerung, Frequenzumrichter für Fahrwerk, Hubeinrichtung oder Drehwerk sowie eine Rekuperationseinheit mit Energiespeicher miteinander kommunizieren, sparen - abhängig von Betriebs- und Terminalbedingungen - oft noch einmal zweistellige Prozentzahlen bei den Treibstoffkosten. Energieeffizienz und umweltfreundliche Ausführung sind heute wichtige Forderungen, wenn man mobile Maschinen in der Nähe von Gewässern betreiben möchte. Die Abkehr von Hydraulikantrieben mit möglichem Ölaustritt und damit einhergehender Wasserverschmutzung ist da schon ein großer Fortschritt. Zudem spart die Umstellung auf Elektromobilität mit Diesel-elektrischer- oder Akku-Stromversorgung aufgrund des höheren Wirkungsgrades Betriebskosten. Refu Elektronik, der Spezialist für elektrische Antriebsregelungen rund um mobile Maschinen, bietet dafür eine breite Palette an Generator-Contollern, Wechselrichtern und Energiespeichersystemen an. Damit sind Fahrzeuge einfacher zu steuern, benötigen weniger Wartung, erlauben die Rückgewinnung von Energie aus Brems- und Senkbewegungen (Rekuperation) und bieten so hohe Effizienz. Je nach Umschlaggerät sowie Terminal und Betriebsbedingungen ist dadurch ein bis zu 30% niedrigerer Kraftstoffverbrauch möglich.

Bessere Regelung und höhere Effizienz

Der Wechsel von einem Diesel-hydraulischen zu einem Diesel-elektrischen Antriebssystem bietet erhebliche Vorteile: Elektrische Antriebe lassen sich feinfühlig sowohl in der Drehzahl wie auch im Drehmoment regeln. Die Entkopplung des Spannungs-Zwischenkreises von der Drehzahl des Dieselaggregats erlaubt es, die Drehzahl des Generators immer im besten Betriebsbereich des Dieselmotors zu halten unabhängig von der benötigten Zwischenkreisspannung. Verschleiß- und verbrauchssteigernde hohe Drehzahlen, die für große Fördermengen bei der Hydraulikpumpe erforderlich waren (z.B. für schnelle Fahrt), sind nicht mehr notwendig. Der Dieselmotor läuft immer mit bestem Wirkungsgrad und geringstem Verbrauch; Elektroantriebe, per Frequenzumrichter angesteuert, übernehmen die Drehzahlregelung, um die gewünschte Fahr- oder Hubgeschwindigkeit zu erreichen. Ein weiterer Vorteil: Durch die schnelle Regelung lassen sich sicherheitsfördernde Zusatzfunktionen recht einfach in das Antriebskonzept integrieren. Sei es die Einschränkung der maximal zu hebenden Last per im Umrichter berechneter Belastung oder eine automatische Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit je nach Kurvenradius.

Effizient durch Rekuperation und Speicherung

Ein weiterer Schritt in Richtung Effizienz ist die Rekuperation und Speicherung von Energie beim Bremsen oder Absenken von Lasten. Hier wird der Antriebsmotor im 4-Quadrantenbetrieb angesteuert und agiert beim Bremsen als Generator. Dabei speist er Strom in den Zwischenkreis ein. Diese Energie kann nun entweder direkt von anderen Verbrauchern genutzt werden oder sie wird in Zwischenspeichern wie Kondensatoren und Akkus 'gespeichert'. Die Energie steht dann zeitversetzt z.B. zum Anfahren aus dem Stillstand zur Verfügung oder deckt kurzzeitige Lastspitzen ab. So kann der Generator oft eine Nummer kleiner ausfallen, was wiederum die Investitions- und Betriebskosten senkt. Eine Kommunikation per Bus-Querkoppelung aller Umrichter, des Generatorwechselrichters und der Energie-Rekuperationseinheit mit einer SPS, in der ein Programm zur Energieflussteuerung (Power-Management) läuft, ermöglicht dabei die optimale Abstimmung aller Funktionen auf beste Energieeffizienz. Je nach Nutzungsprofil der Stapler, Transportfahrzeuge oder Krane ergeben sich so Einsparungen von rund 20 bis 30% Diesel durch die Umstellung von hydraulischen auf elektrische Antriebe in Abhängigkeit der bereits zuvor genannten Bedingungen. Bei Rekuperationsbetrieb sind zusätzlich Einsparungen im Bereich von guten 10% der früher benötigten Energiemenge erzielbar. Die folgenden Beispiele zeigen, wie sich diese Umrüstung auf die unterschiedlichen Transportmaschinen anpassen lässt.

Effiziente Portalstapler

Bei Portalhubstaplern (Bild 1) wird die eingesetzte Primärenergie einerseits für die Hubeinrichtung, andererseits für das Fahrwerk benötigt. Bei hydraulischen oder konventionellen elektrischen Systemen wird die für den Hub bzw. die Fortbewegung investierte Energie nur einmal genutzt; über Drosseln und Ölkühler bzw. Bremswiderstände geht hier die jeweilige potentielle oder kinetische Energie als Wärme verloren. Mit einem System aus vier Fahrwerkswechselrichtern (Refupcs 075), einem Hubwerkwechselrichter (Refupcs 160), einem Bordnetzumrichter (Refupcs 045) und einem DC/DC-Steller (Refupcs 085) die optional über CAN-Bus miteinander und mit der übergeordneten SPS des Fahrzeugs kommunizieren, lässt sich diese bisher dissipierte Energie nutzen. Die einzeln regelbaren Wechselrichter erhalten dabei ihre Sollwerte für Drehzahl und Drehmoment aus der SPS, die den gesamten Energiefluss zwischen Dieselgenerator, Antrieben und Energiespeicher koordiniert. Weiterhin wird von der SPS die Dieselmotordrehzahl nach der aktuell geforderten Leistung vorgegeben, sodass der Dieselmotor meist bei kraftstoffsparenden Drehzahlen betrieben wird. Das Fahrwerk wird im Betrieb über die Wechselrichter per Drehmoment gesteuert, eine übergeordnete Drehzahlbegrenzung beschränkt die maximale Geschwindigkeit. Zusätzlich wird die Differenzdrehzahl aller Radnabenmotoren überwacht, da dies ein Indiz für das Schleudern oder Rutschen der Räder ist, was verhindert werden muss. Zusätzlich übernimmt der Umrichter die Kontrolle der Motortemperatur und der Bremsensteuerung (Bild 2). Der Hubwerkwechselrichter regelt die Motordrehzahl und stellt den Betrieb bis zu einem Feldschwächebetrieb 1:2 sicher. Kurze Beschleunigungszeiten werden durch hohe Überlastströme des Umrichters sichergestellt. Während der Beschleunigung wird die angehängte Last berechnet und so lastabhängig die maximale Drehzahl für den Senkbetrieb bestimmt und freigegeben. Zusätzlich sind auch hier im Umrichter die Motortemperaturüberwachung und die Bremsensteuerung integriert. Die Bremsensteuerung stellt hier sicher, dass die Last ruckfrei aus dem Stillstand übernommen bzw. aus der Fahrt in die Haltebremse übergeben wird, bei minimaler mechanischer Belastung ('schleifen') derselben. Der Bordnetzumrichter regelt das dreiphasige 400V-Bordnetz für Hilfsantriebe und Nebenverbraucher sowie einen 230VAC-Kreis mit hoher Güte. Der Generator versorgt über die Gleichrichterbrücke den Nutzzwischenkreis, in den auch die bisher verheizte Bremsleistung zurückgespeist wird. Über den DC/DC-Steller wird bei Energieüberschuss (Bremsbetrieb des Fahrwerks bzw. Senkbetrieb des Hubwerks) der Strom in einen aus Doppelschichtkondensatoren bestehenden Energiespeicher oder einem Speicherakku eingelagert. So kann zum späteren Anfahren oder Anheben ein guter Teil der zuvor zurückgewonnenen und eingelagerten Bremsenergie verwertet werden. Der DC/DC-Steller selbst wird ebenfalls von der Energieflusssteuerung in der übergeordneten SPS gesteuert oder speist autonom die Energie über eine integrierte Regelung ein.

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Sparsame Transporter

Um Container in Hafenanlagen mit großer Umschlagleistung wirtschaftlich flexibel zwischen Kaikante und Containerlager zu transportieren, haben sich fahrerlose Transportfahrzeuge (AGV) sowohl mit Diesel-elektrischem als auch Batterie-elektrischem Antrieb bewährt (Bild 3). Auch hier bringt die Entkoppelung des Dieselmotors über einen elektrischen Zwischenkreis erhebliche Vorteile gegenüber einer Diesel-hydraulischen Lösung. Im Fahrwerk arbeiten spezielle Umrichter für Traktionsanwendungen, die für das Energiemanagement per Refulink, einer sehr schnellen, taktsynchronen Querkommunikation zwischen den Wechselrichtern, miteinander kommunizieren. Sie steuern die Antriebsmotoren nach den SPS-Vorgaben. Hinzu kommen noch ein Umrichter für eine Hydraulikpumpe sowie ein Generator-Wechselrichter und ein DC/DC-Steller mit angeschlossenem Energiespeicher (Bild 4a). Im Fahrbetrieb bestimmt allein die Drehzahl der Antriebsmotoren die Geschwindigkeit; diese ist unabhängig von der Dieseldrehzahl und somit von der Generatordrehzahl. Dadurch kann der Diesel immer im optimalen Betriebs-/Drehzahlbereich laufen. Im vorliegenden Fall wird die Generatorspannung auf konstant 750V geregelt. Dadurch können die Elektromotoren (Nennspannung 480V) bis zur Nenndrehzahl betrieben werden, selbst wenn der Diesel nahe der Leerlaufdrehzahl arbeitet. Letzteres ist z.B. bei Leerfahrten oft der Fall. So wird eine rein leistungsbezogene Regelung des Dieselmotors nach der aktuell benötigten Last möglich und damit ein Kraftstoff sparender Betrieb. Bei Bremsbetrieb speisen die Umrichter der Fahrmotoren Energie in den Zwischenkreis zurück, die dann über den DC/DC-Steller in den Energiespeicher einlagert und bei Bedarf wieder abgegeben wird, z.B. zum Anfahren. Das erlaubt je nach Fahrprofil weitere Einsparungen von bis zu zehn Prozent abhängig von individuellen Terminal- und Betriebsbedingungen. Durch Energiemanagement und das Einsparpotential der Rückspeisung ist auch für batteriebetriebene AGV eine deutliche Verlängerung der Betriebszeit pro Akkuladung möglich (Bild 4b). Durch ihre Flexibilität bei der Parametrisierung erlauben die Umrichter eine individuelle Abstimmung und übernehmen so einen relevanten Anteil bei der Optimierung des Antriebsstrangs der Transportfahrzeuge.

Hafenkrane

Moderne, mobile Hafenkräne bestehen aus einem Chassis mit Reifenfahrwerk sowie aufgesetztem Maschinenhaus (Oberwagen), das Antriebsaggregat, Hub- und Drehwerk und die weitere maschinelle Ausrüstung beherbergt (Bild 5). Die nötigen Wechselrichter für die einzelnen Antriebsmotoren sind über ein DC-Energieverteilungssystem gekoppelt. Daher bietet sich auch hier eine Rekuperation bisher per Bremswiderstand verheizter Energie geradezu an. Rückspeisungen im Senk-, Dreh- oder Fahrbetrieb liefern dann einen nicht unerheblichen Beitrag zur Energiegesamtbilanz des Kranes. Durch Einsatz mehrerer Antriebe an einem Zwischenkreis kann ein Teil der rückgespeisten Energie direkt zum Antrieb anderer Gewerke eingesetzt werden. Wird allerdings mehr Energie erzeugt als benötigt, muss der Überschuss abgebaut werden. Bei Netzanbindung lässt sich die Überschussenergie durch Netzein-/Rückspeisungen ins Netz abführen, für Diesel-elektrische Systeme bieten sich Pufferspeicher an. Diese können wieder als Akku oder Doppelschicht-Kondensatoreinheit ausgeführt werden und stellen dann z.B. die Energie der vorher abgesenkten Last für das Anheben der neuen Ladung wieder anteilig zur Verfügung. Bei der Vielzahl von Dreh- und Hebe- bzw. Senkvorgängen im Arbeitsalltag ergeben sich so schnell stattliche Einsparungen. Zusätzlich wird bei Diesel-elektrischem Betrieb der Generator entlastet. Der Antriebsmotor benötigt weniger Treibstoff und der Verschleiß sinkt ebenfalls.

Fazit und Ausblick

Die hier im Umfeld von Containerterminals in Häfen gemachten Erfahrungen lassen sich mühelos auf andere Anwendungen von mobilen Arbeitsmaschinen ausweiten. Baumaschinen, Kommunalfahrzeuge oder Landmaschinen werden nach denselben Prinzipien elektrifiziert und bieten je nach Betriebszeiten entsprechend adäquates Einsparpotenzial. Insbesondere bei begrenzten oder genau vorgegebenen Fahrzyklen und Randbedingungen ist der Schritt von Diesel-elektrischen Systemen zu Batterie-elektrischen Antriebslösungen bereits schon heute wirtschaftlich. Refudrive Antriebs- und Batteriesysteme leisten hier einen Beitrag zur nachhaltigen Entlastung der Umweltbilanz.

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