Turmdrehkrane kostengünstiger und umweltschonender antreiben

Dr. Andrew Deakin gibt Einblicke in die verschiedenen Technologien und Herausforderungen für einen effizienteren Antrieb von Turmdrehkranen. Foto: Joe Mather/KHL

Die Untersuchung der Antriebstechnik von Turmdrehkränen bringt überraschende Neuigkeiten zutage, insbesondere im Hinblick auf die Effizienz bzw. in den meisten Fällen einen deutlichen Mangel daran.

„Was ist die effizienteste Art, Turmdrehkräne anzutreiben?“, fragte Dr. Andrew Deakin, technischer Direktor bei Dumarey Green Power mit Sitz in Großbritannien, als er die Diskussion auf der Turmdrehkrankonferenz 2025 der ITC Anfang Juni in Rom eröffnete.

Um diese Frage zu beantworten, untersuchte Deakin reale Daten, darunter die tatsächlichen Kohlendioxid-Emissionen (CO2), die beim Antrieb von Turmdrehkranen entstehen. Er untersuchte neben konventionellen Dieselgeneratoren verschiedene Lösungen, darunter Batteriespeichersysteme (BESS), Schwungradtechnologie und alternative Kraftstoffe. Finanzielle und sonstige Kosten, beispielsweise Kohlendioxid-Emissionen (CO2), wurden berücksichtigt.

Als Beispiel für reale Betriebszyklusdaten verwendete Deakin eine Baustelle mit Terex CTL 1600 Wippausleger-Turmdrehkranen, die in London für Select Plant im Einsatz waren. Dumarey betrieb etwa 18 Monate lang ein Schwungrad an einem dieser Krane und protokollierte die Daten. „Der Kran läuft den ganzen Tag und sieht ziemlich ausgelastet aus“, sagt Deakin. Es handelt sich um einen großen Turmdrehkran mit einer Leistung von 250 bis 300 Kilowatt. Normalerweise wird er von einem 400-kVA-Netzteil oder einem 650-kVA-Generator angetrieben.

Bei genauerer Betrachtung des Verbrauchsdiagramms wird deutlich, dass der Kran trotz hoher Auslastung lange Zeiträume mit sehr geringem Stromverbrauch aufweist. Betrachtet man den durchschnittlichen Stromverbrauch über den ganzen Tag, beträgt er trotz eines 300-Kilowatt-Krans etwa 11 Kilowatt. „Für den Kranantrieb benötigen wir nicht so viel Energie. Für den ganzen Tag wären es etwa 110 Kilowattstunden“, sagte Deakin.

Betrachtet man den 650-kVA-Generator, „läuft dieser im Durchschnitt mit etwa 2,1 Prozent seiner Spitzenleistung. Diese Generatoren sind massiv überdimensioniert, müssen aber mit den Spitzen und hohen Transienten zurechtkommen.“

Aus Emissionssicht ist der Betrieb des Krans über das öffentliche Stromnetz die erste Wahl. „Dann verbrennen wir keinen Diesel und der Kran sollte am wenigsten CO2 ausstoßen.“ Die Menge an CO2 aus dem Netz hängt vom Land ab, in dem der Kran eingesetzt wird. In Frankreich soll sie aufgrund der Atomkraft nahe Null liegen. In Großbritannien liegt der CO2-Ausstoß bei etwa 124 Gramm pro Kilowattstunde, der EU-Durchschnitt bei 242. In Italien sind es aufgrund der Kohlekraftwerke etwa 376 Gramm und in Polen 662 Gramm. Es ist immer noch besser, den Kran über dieses relativ schmutzige Netz zu betreiben, als ein Dieselaggregat zu verwenden.

„Das bedeutet, wenn wir einen großen Turmdrehkran mit einem durchschnittlichen Stromverbrauch von etwa 10 Kilowatt betrachten, entstehen beim Betrieb dieses Krans zwischen null und sechs Kilogramm CO2 pro Stunde, wenn er an das öffentliche Stromnetz angeschlossen ist.“

Turmdrehkrane benötigen eine hohe Stromversorgung. Kleinere Krane benötigen typischerweise 75 kVA, mittlere 150 kVA und große 300 kVA. Der CTL 1600, das Spitzenmodell, benötigt 400 kVA. Eine Baustelle mit fünf dieser großen Kräne benötigt möglicherweise 1 bis 1,5 MVA Netzstrom. Da dieser möglicherweise nicht verfügbar ist, werden fünf große Dieselgeneratoren eingesetzt.

„Das wird natürlich zu relativ hohen Emissionen führen. Wir sollten in der Lage sein, das zu verbessern“, meint Deakin.

Dimensionierung der Leistung

Der durchschnittliche Leistungsbedarf von Kränen unterschiedlicher Größe ist sehr gering: 2 bis 3 Kilowatt für kleine, 4 bis 7 Kilowatt für mittelgroße und 8 bis 12 Kilowatt für große Kräne. Die Spitzenlasten sind jedoch vergleichsweise hoch – 50, 100 und 200 Kilowatt (SML). Um Spitzenlasten und Transienten zu bewältigen, muss der Generator etwa zweieinhalb Mal so groß sein. Eine Durchschnittslast beträgt jedoch etwa 2,5 Prozent der Spitzenleistung des Generators. „Wir setzen einen riesigen Generator ein, um eine sehr geringe Durchschnittsleistung liefern zu können.“

Zur Bewältigung der vorübergehenden Lasten werden große Generatoren eingesetzt. Der Generatorwirkungsgrad liegt beim Kranbetrieb und beim Heben schwerer Lasten wahrscheinlich im Lastbereich zwischen 50 und 60 %, während der Generator mit einem Wirkungsgrad zwischen 35 und 40 % arbeitet – ein typischer Wirkungsgrad eines Dieselmotors.

Betrachtet man jedoch den durchschnittlichen Bedarf eines Turmdrehkrans, liegt die Last bei nur 2,5 %. Das bedeutet, dass wir nur noch mit einer Effizienz von 5 bis 10 % arbeiten. Das ist ziemlich schlecht. Die Frage ist: Was können wir dagegen tun? Wenn wir Dieselgeneratoren einsetzen müssen, wie können wir die Effizienz steigern?

Dieselmotoren erreichen bei voller Leistung einen Wirkungsgrad von 40 %. Die Energie aus dem Kraftstoff geht durch den Verbrennungsprozess und den Motorbetrieb auf vielfältige Weise verloren. Wasserpumpe, Turbolader, Lichtmaschine usw. verbrauchen Strom, und es entstehen durchgehend mechanische Verluste. Ein großer Teil der Energie geht als Wärme verloren, die über den Motorauspuff und das Kühlsystem abgegeben wird.

Deakin erklärt den Energiefluss in einem Sankey-Diagramm für die Effizienz eines Dieselmotors in einem Generator mit 40 Prozent Wirkungsgrad. Foto: Joe Mather/KHL

Motoreffizienz

Ein 500-kVA-Generator mit einem optimalen Wirkungsgrad von 40 % (Bremsleistung an der Kurbelwelle) liefert rund 400 Kilowatt. Der mechanische Verlust beträgt 50 Kilowatt, der unabhängig von der Last gleich bleibt. Hinzu kommen 600 Kilowatt Verlustwärme. „Im Grunde verbrennen wir Brennstoff, um 1.000 Kilowatt zu erzeugen und daraus 400 Kilowatt Nutzenergie zu gewinnen.“

Wenden wir dies auf einen Turmdrehkran an, bei dem der Motor mit optimaler Effizienz arbeitet, aber nur mit etwa 2,5 % Durchschnittslast läuft. „In diesem Fall haben wir etwa 7 % Nutzleistung, von denen 93 % in Wärme umgewandelt werden. Kommen wir nun zu den mechanischen Verlusten zurück – sie betragen jetzt etwa 38 % der Energie im Kraftstoff, die allein durch die Überwindung der Motorreibung und all dieser anderen Faktoren entsteht.“

Der Großteil der Kurbelwellenleistung wird in mechanische Verluste umgewandelt, was zu einem Gesamtwirkungsgrad von 7 % führt. Zurück zum 500-kVA-Generator: Es gibt 10 Kilowatt Nutzarbeit und 50 Kilowatt mechanische Verluste. Auch hier ist die Zahl gleich, und 140 Kilowatt gehen als Abwärme aus dem Motor.

Wenn Sie das für schlecht halten, kann es bei Motoren der EU-Stufe 5 noch schlimmer sein. „Ich habe auf Baustellen einen 500-kVA-Generator mit einer 100-Kilowatt-Lastbank gesehen, und viele Generatoren haben zusätzlich eingebaute [permanente] Lastbänke. Wir haben jetzt also 3 % Nutzarbeit, und die Lastbank übernimmt 28 %. Wir liegen bei 3 % Wirkungsgrad, und 97 % der Energie im Kraftstoff werden einfach in Abwärme umgewandelt. Fazit: Mit der EU-Stufe 5 können wir den Wirkungsgrad deutlich verschlechtern.“

Wie hoch sind die Kosten?

Das Schwungrad eines Flybrid-Energiespeichersystems. Foto: Joe Mather/KHL

Ein 500-kVA-Generator der EU-Stufe III, der einen großen Turmdrehkran antreibt, verbraucht durchschnittlich 15 Liter Diesel pro Stunde, 60 Stunden pro Woche. Das sind 45.000 Liter Diesel pro Jahr oder 67.500 Euro bei 1,50 Euro pro Liter und 120 Tonnen CO2. Ein vergleichbarer Generator der Stufe 5 könnte Diesel im Wert von 200.000 Euro verbrauchen.

Von den für den Kraftstoff ausgegebenen Kosten werden lediglich 4.500 € in Energie für den Kranantrieb umgewandelt. Der Rest, sage und schreibe 63.000 €, geht als Wärme verloren. „Die Frage ist also, wie wir diese 63.000 € an Verschwendung einsparen können. Wenn wir einen Dieselmotor mit 40 % Wirkungsgrad hätten, würden sich diese Kosten auf 13.500 € pro Jahr reduzieren.“

Zum Vergleich: Würde der Kran mit Strom aus dem Stromnetz betrieben, wären das für denselben Auftrag etwa 7.500 € pro Jahr.

Wie lässt sich Diesel effizienter nutzen? Ein 500-kVA-Generator, der 15 Liter Kraftstoff pro Stunde verbraucht, liefert unsere 10 Kilowatt mit einem Wirkungsgrad von 5 bis 10 %, wie bereits erwähnt. Mit einem Transientengerät – einem Schwungradsystem, das Spitzenlasten abfängt und die Transienten unterstützt, oder Superkondensatoren – muss der Generator die Spitzenlast etwa 10 Sekunden lang bewältigen, benötigt aber auch Zeit, um diese Spitzenlast zu erreichen.

„Wir könnten die 500 kVA durch ein 200-kVA-Generatoraggregat mit Schwungrad ersetzen. Das reduziert unseren Kraftstoffverbrauch auf etwa sieben Liter pro Stunde. Unsere Bremsleistung beträgt zwar weiterhin 10 Kilowatt, aber wir haben die Effizienzkurve auf 15 % gesteigert.“

„Wenn wir zu einem Vollleistungsgerät übergehen, zum Beispiel einem Batteriespeicher oder einem sehr großen Schwungrad, bei dem das System grundsätzlich mit hohem Wirkungsgrad vom Generator geladen wird, könnten wir diesen Wert auf beispielsweise einen 25-kVA-Generator und eine Batterie reduzieren, der weniger als drei Liter Diesel pro Stunde verbraucht. Die Bremsleistung beträgt zwar immer noch 10 Kilowatt, aber der Wirkungsgrad wurde genau in den Bereich verschoben, in dem wir die maximale Effizienz des Motors erzielen.“

Durch Batterie- und Schwungradtechnologie kann der Kraftstoffbedarf für den Kranantrieb erheblich reduziert werden.

Big BESS und das Netz

Nehmen wir ein weiteres Beispiel: Auf der Baustelle gibt es Netzstrom für unsere fünf großen Turmdrehkräne. Wenn nur 100 kVA Netzstrom zur Verfügung stünden, würden ein oder zwei Batteriesysteme ausreichen. Dies hängt jedoch von mehreren Faktoren ab. „Einer davon ist, wie schnell die Batterie reagiert, da sie das Netz vor Spannungsspitzen schützen muss. Wir können nicht kurzzeitig die volle Leistung ins Netz einspeisen, da sonst der Netzschalter auslöst. In diesem Fall werden wir wahrscheinlich ein oder zwei Batterien und drei Generatoren auf der Baustelle benötigen.“

Große Batterien enthalten viel Lithium – viel eingebettetes CO2, und die parasitären Lasten können 7 bis 10 Kilowatt betragen. Das Dumarey PowerSkid BESS kann mit einer 40-kVA-Netzversorgung betrieben werden, um große Turmdrehkräne anzutreiben.

Oder wir entscheiden uns für eine Batterie der passenden Größe. Auch hier steht uns ein 100-kVA-Netz zur Verfügung und wir verwenden Hochleistungsbatterien. Diese unterscheiden sich dadurch, dass sie einen separaten Ladekreis haben, wodurch das Netz vom Kran isoliert ist. Das Netz wird nie mit der gleichen Last belastet wie der Kran. Mit einer Leistung von 20 kVA oder 30 Ampere wäre die Versorgung ausreichend, um jeden Turmdrehkran mit Strom zu versorgen.

Dort betreiben wir fünf Turmdrehkräne mit 100 kVA statt mit 1 oder 1,5 MVA. Wir haben auf der Baustelle auf Diesel zum Antrieb der Turmdrehkräne verzichtet, und das bietet weitere Vorteile. Die Batterien sind recht klein, daher enthalten sie deutlich weniger Lithium und weniger Störlast. Mit dem richtigen Batteriespeichersystem können Schwachstromnetze betrieben werden, um die Baustelle mit minimalen Emissionen zu versorgen. Die Technologie hierfür ist die Revolution-Batterie, die mit 10 oder 20 kVA betrieben werden kann, und jede Einheit verfügt über weniger als 30 Kilowattstunden Batterien.

CO2 und Kosten

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Stromversorgung über das Stromnetz immer die beste Lösung ist, da sie die niedrigsten Kosten verursacht, man nicht viel Diesel verbraucht und dieser, solange er vor Ort ist, kostenlos zur Verfügung steht und der CO2-Ausstoß am niedrigsten ist.

Die fünfte Stufe wird sehr teuer sein und bei den 10 Kilowatt, die wir für diese Anwendung verwenden, zu einem CO2-Ausstoß von bis zu rund hundert Kilogramm pro Kilowattstunde führen.

Mit Schwungrad und Batterie reduzieren wir den CO2-Ausstoß erheblich, je nachdem, welche Technologie Sie verwenden. Der kleine Generator stößt im Vergleich zum Stage Five-Generator etwa 10 % weniger CO2 aus. Dadurch ergibt sich eine Einsparung von 90 %.

Schwungrad und Batterie sind etwas günstiger als beim Stufe-III-A-Generator. Diese Lösung kostet Sie durch den Einsatz der Technologie nicht mehr Geld als der einfache Dieselgenerator, für den sich in den letzten Jahren jeder entschieden hat.

All diese Lösungen sparen nicht nur CO2, sondern auch Geld für den Endkunden.

Alternative Kraftstoffe

Als Alternativen zu Diesel gibt es zahlreiche Optionen, darunter: hydriertes Pflanzenöl (HVO), Wasserstoff-Brennstoffzellen, Wasserstoff-Verbrennungsmotoren (IC), synthetische Kraftstoffe; und Deakins Kollegen bei Dumarey in Italien arbeiten mit TecnoGen an der Entwicklung eines Wasserstoff-IC-Generators mit integriertem Durchfluss.

Heute sind noch rund 99 % des Wasserstoffs grau, das hilft nicht weiter. Bei der Verbrennung von HVO sind beispielsweise Palmöle enthalten, die weniger umweltfreundlich sind, als man vielleicht denkt. Zudem können die Kosten relativ hoch sein und werden es auch noch eine Weile bleiben.

Wenn Sie Wasserstoff verwenden, wird Ihre Baustelle vielleicht einmal pro Woche mit einem LKW mit Diesel beliefert, aber für den Antrieb der Turmdrehkräne könnten es zehn LKW-Ladungen Wasserstoff pro Woche sein.

Es wird zwingend erforderlich sein, alternative Kraftstoffe effizient zu nutzen. Durch den Einsatz von BESS und Schwungrädern zur Optimierung der Effizienz können diese alternativen Kraftstoffe in Zukunft optimal genutzt werden. Die gleichen Erkenntnisse aus der Dieseltechnik werden auch weiterhin gelten.

Kurzgesagt

Turmdrehkräne benötigen im Durchschnitt etwa 1 bis 12 Kilowatt Leistung. Generatoren arbeiten aufgrund der geringen Last mit einem schlechten Wirkungsgrad – fünf bis 10 % bei Stufe Drei A und nur 3 % bei Stufe Fünf. Der Anschluss an das öffentliche Stromnetz führt zu den niedrigsten Kosten und den geringsten CO2-Emissionen.

Batteriespeichersysteme können kleine Netze in die Lage versetzen, mehr Kräne mit Strom zu versorgen. Neue Technologien, die Schwungräder und BESS kombinieren, können die Gesamtkosten senken und den CO2-Ausstoß um über 90 % reduzieren. Alternative Kraftstoffe werden die letzten 10 % letztendlich abdecken können. Zunächst muss sichergestellt werden, dass das 90-%-Ziel erreicht wird.

Dr. Andrew Deakin, technischer Direktor bei Dumarey Green Power mit Sitz in Großbritannien