Bereits seit Jahren forscht John Deere zum Thema elektrische Antriebe. Welche Konzepte und Ziele dahinter stecken, haben wir mit Professor Peter Pickel vom Innovationscenter des Unternehmens in Kaiserslautern besprochen.
Die ersten Schritte waren noch vergleichsweise zaghaft, wurden aber hoch dotiert: Zur Agritechnica 2007 erhielt John Deere für die Traktoren-Konzepte 7430 bzw. 7530 E-Premium eine Goldmedaille. Ein eingebauter Generator erzeugte ab 1800 U/min bis zu 20 kW elektrische Leistung. Damit versorgte er die „Organe“ des Traktors, also z.B. die Wasserpumpe. Außerdem standen 5 kW über Anschlüsse für externe Verbraucher zur Verfügung. Seitdem sind mehr als zehn Jahre vergangen und das Unternehmen hat diesen Bereich mit verschiedenen Studien weiter erforscht.
Auf lange Sicht ist es nach Auffassung von Prof. Dr. Pickel ein Ziel der Landwirtschaft, sich unabhängig von Ressourcen wie Diesel zu machen. Außerdem seien elektrische Antriebe die Grundlage für hochpräzise, autonome Landmaschinen. Er sieht langfristig einen deutlichen Trend hin zu vollelektrischen Systemen.
Die verschiedenen Prototypen des Unternehmens verfolgten dabei unterschiedliche Ansätze. Von der Hybridtechnik mit Dieselmotor bis zum Traktor mit Lithium-Ionen-Akku:
6RE-Traktor:
Weiterentwicklung des E-Premium-Konzepts. Der zwischen Dieselmotor und stufenlosem Antrieb integrierte Generator versorgte nur noch externe Steckdosen (AEF-Vornorm) mit einem Hochvolt-Gleich- oder Wechselstrom (700 Volt) zum Antrieb von angebauten Geräten, in Ergänzung zur Zapfwelle und Hydraulik. Die internen Verbraucher wurden wieder mechanisch oder hydraulisch angetrieben.Mit dem 6RE ging erstmals ein Vorläufer der AEF-Steckdosen in Serie, einer neuen elektrischen Leistungsschnittstelle für die Traktor-Geräte-Elektrifizierung. Diese bietet Gleich- oder Wechselspannung bis 150 kW mit variabler Frequenz. Die Idee: Die teure Leistungselektronik sollte auf dem Traktor montiert sein und für unterschiedliche Anbaugeräte zur Verfügung stehen. Das wurde über ein integriertes Real-Time-Ethernet realisiert. Das Anbaugerät „meldet“ über dieses Netz den aktuellen Drehzahlbedarf, der Traktor liefert den Strom in der passenden Frequenz. Außerdem kann das Arbeitsgerät zu jedem Zeitpunkt die aktuelle Drehwinkellage des Elektromotors zum Traktor zurückmelden. Damit ist auch der Betrieb von energiesparenden, permanent erregten Elektromotoren ebenfalls ohne eigene Leistungselektronik möglich.
LIB-Offroad:
Dieses Konzept entstand in den Jahren 2009 bis 2012 mit einem Prototyp. Dazu wurde der E-Premium-Traktor zu einem Hybrid-Konzept mit Lithium-Ionen-Akku ausgebaut. Der Asynchron-Generator lud den Akku über einen internen 700 V-Gleichspannungsbus und einen sogenannten DC-DC-Wandler auf. Er konnte bei Bedarf zusätzliche Leistung auf die Antriebswelle geben, also auch als Elektromotor arbeiten. Der Akku stellte dann den Strom für den elektrischen Boost zur Verfügung. Zum Konzept gehörte außerdem das Nutzen der Bremsenergie durch sogenannte Rekuperation, also Rückeinspeisung in die Batterie.Über einen Zeitraum war auch die Versorgung der Traktor-internen Aggregate (z.B. Klimaanlage) und der Anbaugeräte im „Engine-Off-Modus“ möglich – also aus dem Akku bei ausgeschaltetem Diesel. Weil sich die Technik als sehr aufwendig herausstellte, wurde das Konzept nicht weiterentwickelt.
Für eine zweite Generation speckten die Konstrukteure das Hybridkonzept ab. Jetzt hing im Frontkraftheber eines Standard-E-Premium ein externer Akku mit einer Kapazität von 50 kWh (eTour-Traktor). Die elektrische Anbindung an den Traktor übernahm eine relativ einfache, aber nicht standardisierte Steckverbindung. Die aufwendige Leistungselektronik entfiel. Durch ein eingebautes 400-Volt-Ladegerät ließ sich der Energiespeicher am Traktor auch extern laden (per Kraftstromanschluss oder auch per Solaranlage). Nachteil: Weil die Ladetechnik am Schlepper verbaut war, konnte man den Akku nicht ohne weiteres losgelöst vom Traktor als Energiespeicher nutzen.
Smart-Power-Generator:
Bei diesem Konzept hängt ein Generator mit Zapfwellenantrieb im Frontkraftheber eines Traktors. Diese Lösung kann angebaute Geräte mit 80 bis 100 kW elektrischer Leistung versorgen. Außerdem ist ein Antriebsboost von 20 bis 60 PS möglich. Dazu stellten John Deere und Fliegl mit dem Power DriveElect zur Agritechnica 2011 eine Kombination aus einem Traktor und einem Anhänger mit einer elektrischen Triebachse vor und erhielten eine Silbermedaille.BatteryBoost:
Bei diesem Konzept entwickelte Johne Deere 2015 die Idee eines externen Akkus weiter: Der Akku kann jetzt ähnlich wie beim eTour losgelöst vom Traktor als Strom-Senke bzw. Speicher für landwirtschaftliche Betriebe mit regenerativer Energie dienen. Im Feldeinsatz hängt er wieder im Frontkraftheber und speist seine Energie vorne über die AEF-Steckdose in den Traktor mit integriertem Generator ein. Die Batterie kann wie beim LIB-Offroad elektrische Maschinen von Traktor und Geräten mit Strom versorgen oder den Traktor-Geräte-Antrieb boosten. Auch die Rekuperation von Bremsenergie ist möglich, und im sogenannten Engine-Off-Betrieb kann der Akku Strom zur Verfügung stellen, z.B. zum Befüllen der Feldspritze.Um das Modul möglichst vielseitig zu machen, haben sich die Konstrukteure am EU-Standard für Elektro-Pkw orientiert. Es lässt sich über einen Standard-Stecker aus dem Pkw-Bereich laden (Combo-Stecker), der Einstieg ist eine einfache Wallbox für 2000 bis 3000 €.
Die Idee beinhaltet die Doppelnutzung der Batterie am Fahrzeug und, wenn dort nicht benötigt, als Pufferbatterie im lokalen Netz oder für Stromlieferungen ins Netz. Auch der Einsatz als Notstromquelle ist denkbar.
Derzeit wäre allerdings der japanische ChaDemo-Standard für die Anbindung der Batterie ans Netz als noch besser geeignet als der europäische Combo Typ 2. Denn der Combo-Standard beinhaltet lediglich Regularien für das Laden, aber heute noch keine Festlegung für den Leistungsaustausch in beide Richtungen.
Durch den bidirektionalen Leistungsaustausch wäre das Modul ein echter Pufferspeicher für landwirtschaftliche Betriebe. Dadurch erhöht sich die mögliche Auslastung des Speichers erheblich. Es ist zudem denkbar, viele dieser Einheiten zu poolen und zu einer virtuellen Regelenergie-Einheit zusammenzuschalten. Wo die Möglichkeiten dieses Konzepts liegen, soll ein Feldversuch im Allgäu ab diesem Sommer zeigen, an dem unter anderem auch Energieversorger beteiligt sind.
Gebrauchte Li-Ionen-Akkus aus dem Fahrzeugbereich könnten zukünftig auch für Biogas- oder Solaranlagen als Energiespeicher interessant werden. Im sogenannten Second-Life-Betrieb der Batterie würden kleinere Anlagen im Optimum laufen und die Akkus mit Regelenergie aufladen.
SESAM Traktor:
Dieses Konzept mit voll elektrischem Antrieb stand auf der französischen Messe Sima 2017. Die Studie fährt mit einem Li-Ionen-Polymerzellen-Akku aus dem Lkw-Bereich. Er liefert 700 Volt Gleichspannung und 130 kWh Kapazität.Das Antriebskonzept arbeitet mit zwei Elektromotoren à 140 kW. Der eine treibt das herkömmliche Doppel‑kupplungsgetriebe DirectDrive an, der andere die Hydraulikpumpen und das Zapfwellengetriebe. Auch ein Zusammenschalten der permanent erregten Synchron-Motoren ist konzeptionell möglich.
Das Getriebe ist notwendig. Denn nur ein extrem überdimensionierter Elektromotor könnte einen Traktor mit dem weiten Geschwindigkeitsbereich bis 50 km/h direkt antreiben.
Bei einer Spreizung von 1:17 braucht das Getriebe mindestens 3 bis 4 Schaltstufen. Weil es aber günstiger ist, ein vorhandenes Getriebe zu verwenden, als extra hierfür ein neues zu entwickeln, fährt diese Studie mit dem mehrstufigen DirectDrive.
Trotz aller Entwicklungen zeigt der SESAM auch die (heutigen) Grenzen. Eine solche Batterie mit 130 kWh Kapazität kostet bisher noch 300 €/kWh, also hier mindestens 39000 €. Zum Vergleich: Ein Liter Diesel enthält 10 kWh Energie. Allerdings bietet der elektrische Antrieb einen erheblich höheren Wirkungsgrad.
Bei bisherigen Tests reicht eine Akku-Ladung für 3 bis 3,5 Stunden im Teillastbereich, 50 bis 60 km Straßenfahrt oder eine Stunde pflügen.
Erst die kleinen Fahrzeuge:
Professor Pickel ist sicher, dass sich der Trend zu elektrischen verstärkt – allerdings zunächst bei den kleineren Fahrzeugen mit planbaren Einsätzen. Die Akkus werden besser und günstiger.Doch je größer, leistungsfähiger die Maschine, desto schwieriger bleibt ihre Energieversorgung: „Vielleicht kommen Lösungen, die wir heute vielleicht noch durchgeknallt finden. Dann steht am Feldrand wie bei der Gülleverschlauchung ein Container. Nur dass keine Gülle durch die Leitung zum Traktor fließt, sondern regenerativ erzeugter Batteriestrom.“
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