Delft de elektrische graafmachine het graf van onze traditionele machines?

Stand van zaken over emissievrije machines

Een overzicht van de bouwmachines zoals het nu is. De vraag is tot waar het blauwe deel zich uitstrekt binnen pakweg 10 jaar — Een overzicht van de huidige bouwmachines. De vraag rijst tot waar het blauwe gedeelte zal reiken binnen 10 jaar

Of u nu een ‘believer’ of ‘non-believer’ bent in de klimaatdiscussie, dat verandert weinig tot niets aan de overduidelijke evolutie van de maatschappij. Het ecobewustzijn zien we ook in onze sector sterker weerspiegeld, bijvoorbeeld in de strengere milieunormen. Een nuluitstoot, dat moet ongetwijfeld het eindresultaat worden op termijn. De vraag rijst in hoeverre constructeurs dat al kunnen waarmaken zonder in te boeten aan kracht, autonomie en gebruiksgemak. We beginnen met de elektrische graafmachines tegen het licht te houden, in een volgend artikel komen wielladers aan de beurt.

Hydraulica blijft krachtpatser

Elektrische graafmachines komen vanaf de kleine vermogens de markt op, maar veroveren steeds meer aandeel. Stilaan knagen ze ook aan de grotere vermogens

Een elektrische graafmachine ontwikkelen die min of meer dezelfde karakteristieken heeft als een dieselmachine, dat vereist een team van topingenieurs. Daar waar men bij elektrische wagens eigenlijk enkel de aandrijving zelf elektrisch moet maken, moeten zij bij graafmachines nog een stuk verder gaan. Traditionele conventionele systemen werken al jaren als volgt: een verbrandingsmotor zorgt voor de aandrijving van de graafmachine via een hydrostatische pomp en motor, terwijl ook de graafhandelingen via een PTO (power take-off) en hydraulische kleppen van vermogen voorzien worden.
De graafbewegingen – die uiteindelijk toch de belangrijkste krachtafnemer vormen – moeten het vermogen in een elektrische machine dus in theorie ook uit de elektrische aandrijving kunnen halen. En daar zijn meerdere mogelijkheden voor.
Maar voor we die bespreken, loont het de moeite om een traditionele machine even te analyseren. De reden waarom we in dit soort machines zo veel hydraulica inzetten – en geen pneumatica bijvoorbeeld – is omdat deze technologie de grootste kracht kan ontwikkelen op een kleine oppervlakte. De vermogensdichtheid is met andere woorden groot. De cilinders kunnen relatief klein gehouden worden, iets wat met pneumatische cilinders niet zou lukken. Gebruik van hydraulica had evenwel een keerzijde, want omdat gewerkt wordt met hydraulische olie in deze cilinders was de energie-efficiëntie een pak minder. En net daarom was elektrificatie van dit soort machines moeilijk.
Vandaag zien we dat ook hydraulische oplossingen een stuk efficiënter worden. Een voorbeeld daarvan is de digitale verdringingspomp die niet alleen snel en accuraat werkt, maar zelfs bij laag debiet en deellast een prima efficiëntie garandeert. Als we dat gaan combineren met betere stuurkleppen en het nauwgezet opvolgen van de installatie, wordt het efficiëntienadeel verder teruggeschroefd. Dat is ook een van de redenen – naast goedkoper wordende accu’s – waarom elektrische machines zich manifesteren.

Welke machines?

De hydraulische installaties van graafmachines vragen veel energie, vandaar dat het huwelijk elektrisch/hydraulisch lang bleef afketsten op autonomie — De hydraulische installaties van graafmachines vragen veel energie, vandaar dat het huwelijk elektrisch/hydraulisch lang bleef afketsen op autonomie

Het gaat momenteel razendsnel. Waar we tot voor kort enkel de compacte minigravers in een elektrische uitvoering zagen, is het nu volop de beurt aan de midi’s. De kans dat het daar stopt is overigens klein. Het is een kwestie van tijd voor zowat elke dieselmachine een elektrische evenknie krijgt, dus ook de +10 tonmachines, al is het moeilijk om dat exact te voorspellen.

Waarom overschakelen?

Hybride uitvoeringen laten toe om ook zwaardere projecten met minder uitstoot dan dieselmachines uit te voeren

Als we u de vraag stellen wat u verwacht van een graafmachine, komen wellicht dezelfde antwoorden terug: voldoende kracht om de taak uit te voeren, een betrouwbare werking en betaalbaarheid. Ontwikkelingen in de elektrificatie focussen dan ook op een uitbreiding van de autonomie, het verlagen van de prijs en het opdrijven van de kracht zonder in te boeten aan concurrentiekracht.
Daar knelt momenteel nog het schoentje: elektrische machines zijn nog een stuk prijziger en de voordelen die aangehaald worden om dat tegen te spreken – minder nood aan onderhoud, geen dure diesel meer – zijn misschien nog wat te abstract in vergelijking met het duidelijke prijskaartje. We zouden dieselmachines dus nog niet te vroeg helemaal afschrijven, zeker omdat ook de emissies de laatste jaren al enorm verminderd zijn.
Elektrische motoren hebben volgens de fabrikanten vrijwel geen onderhoud nodig en hebben nauwelijks slijtageonderdelen die periodiek vervangen moeten worden. Dat betekent op zijn beurt minder stilstandtijd, maar ook lagere kosten voor reserveonderdelen en onderhoudstijd. Bovendien wordt ook de stillere werking vaak als argument aangehaald.
Als we de betrouwbaarheid bekijken, dan zien we dat het verbruiksprofiel van graafmachines zeer divers is: snelheid en koppel veranderen voortdurend, terwijl ook de werkomstandigheden sterk kunnen wisselen. Bovendien is er ook een continue blootstelling aan trillingen en piekbelastingen. Dat vereist van de aandrijving toch een zekere robuustheid.

Emissienormen in het voordeel van elektrisch

Fabrikanten streven naar een autonomie van één werkdag. Via snellaadprocedures kan evenwel ook snel bijgeladen worden

De wetgevende instanties spelen evenwel ook een rol bij een machinekeuze. Zo zijn er de bekende emissienormen, waarbij steeds strengere eisen gesteld worden aan onder meer bouwmachines. Die verraden ook waar we naartoe gaan: een volledig emissievrije bouwsector. Uit cijfers uit Nederland blijkt dat mobiele bouw- en landbouwmachines goed zijn voor 8% van de CO2-uitstoot, 19% van de NOx-uitstoot en 18% van de fijnstofuitstoot (van de totale uitstoot van het wegverkeer). Het is dan ook ergens logisch dat ook onze sector aangemaand wordt om te vergroenen en dat dit steeds verder in de wetgeving geborgd zal worden.

Diverse benaderingen

De toekomst oogt dus emissievrij, al is dat geen synoniem voor elektrisch. Ook andere technologieën zoals waterstof worden momenteel bekeken (zie kaderstuk). Aangezien ‘elektrisch’ nog relatief nieuw is, zien we momenteel zeer diverse benaderingen bij de fabrikanten.

Hybride

Bij een hybride uitvoering is er altijd sprake van een dubbele energievoorziening

Een logische benadering vanuit de traditionele machinefabrikanten is de parallelle hybride uitvoering, die vergelijkbaar is met de hybride personenwagens. De motor blijft dus een verbrandingsmotor, maar er is een additionele elektrische motor voorzien. In normaal bedrijf kan een elektrische opslag aangevuld worden, bijvoorbeeld door regeneratie van de draaibeweging van de bovenwagen of door de neerwaartse beweging van de giek, waarbij overtollige energie teruggeleid wordt naar de accumulator. Bij de meeste machines kan via een manuele koppeling de elektromotor ingeschakeld worden als hulpbron of om volledig elektrisch te werken. Die momenten zijn er bijvoorbeeld bij piekbelasting of als er ergens in een tunnel of binnen een werf gewerkt moet worden.
Een seriële hybride is de volgende mogelijkheid. De hydrostatische aandrijving wordt hier vervangen door twee elektrische aandrijvingen. De ene aandrijving neemt een rol als tractieaandrijving op zich, terwijl de tweede eerder werkt als generator met opslagmogelijkheid. Ook hier is er dus de mogelijkheid om energie ‘terug te steken’ en later terug in te zetten. Let wel dat de dieselmotor ook hier behouden wordt: enkel de hydrostaat wordt vervangen door de twee elektromotoren.
Een volgende oplossing is het gebruik van de kracht van de neerwaartse bewegingen van de giek, om zo met hydraulische olie de accumulatoren telkens op te laden. Die energie kan vervolgens terug ingezet worden om de hydraulische hulpmotor aan te drijven. De hulpmotor kan op zijn beurt de hoofdaandrijving ondersteunen.
Hybrides kunnen dankzij de terugwinning en opslag van energie meestal rond de 15 a 20% minder brandstof verbruiken.
Een bijzondere uitvoering van een hybride is een plug-insysteem. Hierbij kan een elektro-hydraulisch aggregaat aangesloten worden via kabel als de toepassing dat vraagt. Het gaat hier dus om twee aparte systemen: een dieselaangedreven machine die volledig standalone kan werken enerzijds en een apart aggregaat anderzijds.

De wijze waarop een hybride wordt uitgevoerd varieert. Zowel de aandrijving als de energierecuperatie kan op meerdere manieren verlopen

100% elektrisch

Bij 100% elektrische uitvoeringen wordt de complete aandrijving vervangen door een elektrische aandrijflijn, waarbij sowieso altijd sprake is van eigen stroomaanvoer om de machine te voeden. Toch zien we ook hier varianten opduiken. Zo kan de stroomtoevoer via een accu of een eigen kabel gebeuren. Omdat kabeltoevoer niet altijd mogelijk is, zijn deze uitvoeringen in de minderheid, er is dus een belangrijke markt weggelegd voor de machines die met een accu werken. De accu voorziet de elektromotor – bijvoorbeeld permanentmagneetmotoren – van energie voor aandrijving van de machine. Omdat de snelheid van deze motoren vaak elektronisch geregeld kan worden, wordt het verbruik verder geoptimaliseerd.

Belang kwaliteit accu

Evoluties in hydraulica laten toe om energie-efficiënter te werken. Een voorbeeld hiervan is de digitale verdringingspomp

Batterijsystemen die de machine slechts drie à vier uur van energie kunnen voorzien, zijn wellicht niet handig. De meeste fabrikanten gaan dan ook uit van een autonomie van 8 uur. Het laden verloopt veelal via een standaard elektrische aansluiting van 230 of 380 V. De duurtijd van het laden loopt sterk uiteen en is uiteraard ook afhankelijk van de capaciteit van de batterij. We zien ook dat de meeste fabrikanten met twee laadmodi werken: een standaard modus van ongeveer 12 uur en een snellaadmodus waarbij op een tweetal uur 80% van de batterij volgeladen wordt. We moeten ook nog vermelden dat het nooit verstandig is om een batterij telkens volledig te ontladen, want dat is nefast voor de batterijkwaliteit. Het herladen moet met andere woorden beter voor het verlopen van die 8 uur autonomie gebeuren.
Daarnaast zijn er nog een aantal factoren die de autonomie kunnen verminderen, die zowel op korte als lange termijn belangrijk kunnen zijn. Op de lange termijn denken we dan aan de maximumcapaciteit die vermindert naargelang de levensduur. Bovendien ligt de levensduur van een accu sowieso nog lager dan die van een robuuste machine, hou er dus rekening mee dat een vervanging zich na een tijd kan opdringen. Op korte termijn zien we ook dat de performantie van een batterij vermindert bij koudere temperaturen, waardoor het principe van één werkdag in het gedrang kan komen. Ondertussen staat batterijtechnologie niet stil; we mogen dus wel verwachten dat deze factoren nog aanzienlijk zullen verbeteren de komende jaren. Er zijn vandaag bijvoorbeeld ook machines op de markt waarbij het mogelijk is om een bijkomend batterijsysteem of brandstofcel aan te sluiten. 

Wat met waterstof?

Wie overschakelt op elektrisch is niet a priori milieuvriendelijk. Veel critici wijzen terecht op de bron: als de elektriciteit waarmee de accu opgeladen wordt niet groen opgewekt wordt, worden de inspanningen grotendeels tenietgedaan. Dat geldt evenzeer voor waterstof, dat door velen als dé groene brandstof naar voren geschoven wordt. En daar moeten we direct al een correctie aanbrengen: waterstof is namelijk geen brandstof, maar een energiedrager. We kunnen het dus niet op dezelfde hoogte plaatsen als diesel of benzine. De manier waarop energie eerst tot waterstof verwerkt wordt en vervolgens terug omgevormd wordt tot elektriciteit is hier zeer belangrijk om de uiteindelijke ecologische voetafdruk te berekenen. Dat gezegd zijnde, zien sommige constructeurs ook stilaan brood in waterstofmachines. Zo merken we dat er momenteel hard gewerkt wordt aan machines die rond 2023 op de markt zouden moeten komen. Andere constructeurs zweren bij elektrische uitvoeringen en geven aan dat dit de toekomst is. Het worden ongetwijfeld nog boeiende tijden!