Przyszłość jest teraz: elektryfikacja maszyn terenowych

Transformacja branży budowlanej

Przemysł maszyn budowlanych przechodzi w tej chwili ogromną transformację ze względu na cele zrównoważonego rozwoju. Przepisy dotyczące emisji stają się coraz bardziej rygorystyczne, co oznacza, że elektryfikację maszyn terenowych musi wykraczać poza zwykłe systemy trakcyjne. Biznes szuka rozwiązań, które wspierają elektryfikację funkcji roboczych — układów hydraulicznych, kierowniczych, hamulcowych i pomocniczych, wykonujących prace budowlane związane z podnoszeniem ciężkich przedmiotów, kopaniem, równaniem oraz wierceniem. Niektórzy producenci pracują nad wprowadzeniem elektryfikacji do istniejących podwozi maszyn, następna generacja maszyn będzie wymagała starannego projektowania, aby kontynuować tę ewolucję.

Dlaczego elektryfikacja funkcji pracy jest teraz ważna?

Ośrodki miejskie na całym świecie wdrażają przepisy dotyczące zerowej emisji. Miasta takie jak Londyn, Berlin i Paryż już egzekwują ograniczenia, które wkrótce zabronią maszynom z silnikami spalinowymi (ICE) pracy w granicach miasta. Wykonawcy zaczynają wygrywać lub przegrywać oferty – w zależności od danych dotyczących emisji. Branża szybko reaguje. Systemy napędowe zasilane akumulatorami są szeroko stosowane w mniejszych pojazdach, takich jak wózki widłowe i transportery magazynowe, ale elektryfikowanie funkcji roboczych w terenowym sprzęcie budowlanym stanowi wyjątkowe i bardziej złożone wyzwanie, które wymaga dedykowanych rozwiązań inżynieryjnych. Tak więc elektryfikacja – to już nie tylko opcja, wymaga tego rynek, również od strony prawnej.

Wydajności a ograniczenia akumulatorów

Zelektryfikowane funkcje robocze muszą sprostać zastosowaniom o dużej mocy i ciągłym obciążeniom, które przekraczają możliwości obecnych technologii akumulatorowych. Kompaktowe maszyny, takie jak minikoparki i małe ładowarki kołowe, mogą wydajnie pracować na zasilaniu litowo-jonowym. W przypadku średnich i ciężkich maszyn rzeczywistość jest jednak inna. Wymagające cykle robocze, długi czas pracy i znaczne obciążenia hydrauliczne wymagają poziomów mocy, które trudno osiągnąć za pomocą samych akumulatorów. Nawet jeśli gęstość energii akumulatora się poprawia, różnica między zgromadzoną energią a wymaganą mocą wyjściową pozostaje główną przeszkodą w przypadku dużego sprzętu.

Zrozumienie strat energii w układach hydraulicznych

Straty energii to ukryty problem, który dodatkowo komplikuje elektryfikację. Tradycyjne układy hydrauliczne napędzane silnikami spalinowymi stają nieproduktywne. Badania nad zużyciem energii przez maszyny wykazały, że mniej niż 15% energii zużywanej w paliwie jest przetwarzane na efektywną pracę, a pozostała - tracona na tarcie, dławienie przepływu cieczy i niewydolność podzespołów. Straty te, które w pewnych systemach mogą przekraczać 85%, są szansę na ulepszenie architektur elektrycznych. Zelektryfikowane systemy można precyzyjniej zoptymalizować pod kątem zapotrzebowania, co pozwala na wykorzystanie energii w dowolnym miejscu i czasie bez „przepuszczania" nieodłącznie związanego z konfiguracjami silników spalinowych.

Strategie projektowania systemów na potrzeby elektryfikacji

Projektanci systemów mają teraz wiele możliwości elektryfikacji funkcji roboczych. Jednym z najczęściej stosowanych podejść jest elektryczna pompa hydrauliczna lub EHP. We wczesnych wdrożeniach stosowano silniki elektryczne o stałej prędkości obrotowej do odtworzenia zachowania silników spalinowych. Takie podejście uprościło integrację, ale zapewniło ograniczony wzrost wydajności. Dzisiejsze rozwiązania EHP wykorzystują zasadę mocy na żądanie i sterowanie silnikiem o zmiennej prędkości, aby dostarczać ciśnienie hydrauliczne tylko wtedy, gdy jest to potrzebne. Strategia ta zmniejsza straty na biegu jałowym i zużycie energii oraz wydłuża żywotność akumulatorów.

Elektryczne pompy hydrauliczne a elektryczne siłowniki hydrauliczne: wybór właściwego podejścia

Elektryczne siłowniki hydrauliczne (EHA) zapewniają jeszcze większą wydajność, ponieważ całkowicie eliminują centralny obwód hydrauliczny. Systemy te wykorzystują energię elektryczną do napędzania ruchu bezpośrednio w siłowniku. Chociaż rozwiązania EHA są bardziej złożone i kosztowne niż układy EHP, zapewniają lepszą kontrolę, modułowość i wydajność energetyczną. Dla wielu producentów OEM hybrydowe podejście wykorzystujące EHP w połączeniu z konwencjonalnymi blokami zaworów i stałymi siłownikami może zapewnić właściwą równowagę między wydajnością, złożonością integracji i kosztami.

Zarządzanie ciepłem w maszynach elektrycznych

Inną kwestią związaną z elektryfikacją jest zarządzanie ciepłem. Silniki wysokoprężne wytwarzały znaczne ilości ciepła odpadowego, które można było wykorzystać do ogrzania płynów hydraulicznych lub kabiny. W maszynach elektrycznych źródła ciepła obejmują akumulatory, falowniki, silniki i sterowniki — każde z nich ma różne progi temperatury i wymagania w zakresie chłodzenia. Zarządzanie tymi obciążeniami termicznymi wymaga zintegrowanych systemów chłodzenia, które są w stanie utrzymać optymalną temperaturę w szerokim zakresie warunków roboczych.

Specyficzne wymagania dotyczące chłodzenia maszyny

Złożoność konstrukcji termicznej różni się w zależności od typu maszyny. Na przykład koparka wymaga dwóch odrębnych pętli chłodzenia. Jedna chłodzi elektryczny układ napędowy, a druga silnik i falownik napędzający hydraulikę siłową. Wiertnice powierzchniowe wprowadzają kolejne wyzwania. Maszyny te są wyposażone w wysokie wysięgniki, a płyn chłodzący musi być pompowany na odległość od ośmiu do dziesięciu metrów, aby dotrzeć do silnika, co stwarza dodatkowe wymagania w zakresie ciśnienia i kontroli. Wodorowe ogniwa paliwowe wprowadzają własne wyzwania, w tym spaliny o wysokiej temperaturze, które muszą być skierowane z dala od operatorów i innych podzespołów maszyny.

Uwagi dotyczące napięcia w układach chłodzenia

Jeśli chodzi o układy chłodzenia, inżynierowie muszą również wybierać między opcjami nisko- i wysokonapięciowymi. Typowe porównanie obejmuje układy 24 V i 600 V zaprojektowane do rozpraszania takiej samej ilości ciepła. Układy wysokonapięciowe zwykle zapewniają lepszy przepływ powietrza i wydajność, ale wymagają również specjalnego okablowania, środków bezpieczeństwa i izolacji. Układy niskonapięciowe są prostsze we wdrożeniu, zajmują mniej miejsca i charakteryzują się niższą wydajnością, co ogranicza ich zastosowanie do bardziej zlokalizowanych zastosowań. Każde zastosowanie wymaga starannej oceny ograniczeń dotyczących rozmiaru, obciążenia chłodniczego, wymogów bezpieczeństwa i wysiłku związanego z integracją.

Rola wodoru w zastosowaniach o zwiększonym obciążeniu

Pomimo, że akumulatory pozostają głównym źródłem zasilania w maszynach kompaktowych i średnich, wodór staje się obiecującym rozwiązaniem dla sprzętu ciężkiego. Ogniwa litowo-jonowe są stale ulepszane, ale wciąż nie osiągają odpowiedniej gęstości mocy potrzebnej do obsługi dużych maszyn przez całą zmianę bez częstego ładowania. W miejscach, w których energia z sieci jest niedostępna lub jest już nasycona, wodór stanowi alternatywną drogę do pracy bez emisji.

Wodorowe silniki spalinowe a ogniwa paliwowe

Branża budowlana inwestuje w technologie wodorowe na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest zastosowanie wodoru w zmodyfikowanych silnikach spalinowych. Podejście to zachowuje podstawową architekturę hydrauliczną i układ napędowy maszyn z silnikiem wysokoprężnym przy jednoczesnej zmianie rodzaju paliwa. Choć eliminuje to emisję dwutlenku węgla, stanowi poważne wyzwanie w zakresie przechowywania paliwa w maszynie, ponieważ wodór musi być utrzymywany pod wysokim ciśnieniem.

Drugą i bardziej przyszłościową opcją jest wodorowe ogniwo paliwowe. W tej konfiguracji ogniwo paliwowe dostarcza moc przy obciążeniu podstawowym, a mały akumulator litowo-jonowy zapewnia dodatkowy moment obrotowy podczas szczytowych obciążeń. Takie rozwiązanie odzwierciedla architekturę zasilaną z akumulatora, ale zapewnia dłuższy czas pracy i szybsze tankowanie. Systemy ogniw paliwowych są już testowane w koparkach, wózkach widłowych i wozidłach przegubowych. Ograniczona infrastruktura dystrybucji wodoru pozostaje jednak poważnym wąskim gardłem na drodze do powszechnego zastosowania. Budowa takiej infrastruktury jest obecnie kosztowną propozycją, ale rosnący popyt może być motorem zmian.

Cyfryzacja jako podstawa elektryfikacji

Oprócz sprzętu coraz większą rolę we wspieraniu zelektryfikowanych funkcji roboczych odgrywają inteligentne systemy i łączność cyfrowa. Nowoczesny sprzęt budowlany jest coraz częściej wyposażony w czujniki monitorujące ciśnienie, moment obrotowy, temperaturę oraz naprężenia mechaniczne w czasie rzeczywistym. Czujniki te nie tylko wspomagają wydajną pracę maszyn, ale także przekazują dane do systemów konserwacji predykcyjnej, które mogą wykrywać potencjalne awarie, zanim one wystąpią.

Bezpieczeństwo funkcjonalne i działanie półautonomiczne

Systemy oparte na czujnikach są również niezbędne do spełnienia nowych norm bezpieczeństwa funkcjonalnego. W maszynach elektrycznych i półautonomicznych elektroniczne układy hamulcowe i kierownicze muszą automatycznie wykrywać usterki i reagować na nie, aby uniknąć zagrożeń. Technologie takie jak steer-by-wire i brake-by-wire usuwają przewody hydrauliczne z kabiny operatora i zastępują je elektronicznymi urządzeniami wejściowymi, usprawniając sterowanie i udostępniając funkcje automatycznego wspomagania. Technologie te wspierają również zdalną i autonomiczną pracę, która zyskuje na popularności w takich zastosowaniach, jak górnictwo, kamieniołomy i roboty ziemne na dużą skalę.

Inteligentniejsze maszyny dzięki niestandardowym platformom sterowania

Cyfrowe wyświetlacze, łączność z chmurą i konfigurowalne oprogramowanie sterujące pozwalają producentom OEM dostosować zachowanie maszyny do konkretnych zastosowań. Platformy takie jak IQAN firmy Parker zapewniają inżynierom narzędzia do projektowania, testowania i wdrażania zaawansowanej logiki sterowania przy jednoczesnym zachowaniu zgodności z wymogami dotyczącymi bezpieczeństwa oraz wydajności. Integracja diagnostyki w chmurze dodatkowo skraca czas serwisowania i wydłuża czas pracy bez przestojów, ponieważ procedury serwisowe można planować na podstawie rzeczywistych warunków maszyny, a nie stałych odstępów czasu.

Wnioski: projektowanie pod kątem wydajności, oszczędności i zrównoważonego rozwoju

Ostatecznie przyszłość zelektryfikowanych funkcji roboczych leży w całościowym projektowaniu systemu. Po przetestowaniu i zoptymalizowaniu tych podstawowych systemów można zająć się układami trakcyjnymi. Prawdziwy wzrost wydajności wynika z ponownego przemyślenia architektury całej maszyny, zintegrowania inteligentnych sterowników, zarządzania systemami termicznymi oraz wyboru odpowiedniego źródła energii do każdego zastosowania. Niezależnie od tego, czy są to akumulatory, układy wodorowe czy hybrydowe, celem jest dostarczanie czystszych, cichszych i wydajniejszych maszyn bez poświęcania wysokiej wydajności wymaganej podczas prac budowlanych.

Projektanci systemów i inżynierowie będą odgrywać kluczową rolę w procesie transformacji, ponieważ elektryfikacja nadal zmienia krajobraz branży budowlanej. Przyjmując nowe technologie i współpracując z dostawcami rozwiązań, którzy rozumieją zarówno wyzwania, jak i możliwości, branża może zbudować fundament pod czystsze i inteligentniejsze miejsce pracy.