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Stromerzeuger und Abgasstufe V: Welche Umstellungen jetzt sinnvoll sind

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Wer den Verbrauch kennt, kann Kosten senken

Um die Emissionen unter anderem auf Baustellen und im Eventbereich deutlich zu reduzieren, wurde mit der EU-Verordnung 2016/1628 erstmals ein Fahrplan zum Übergang der bisher geltenden Abgasstufe 3A hin zur Abgasstufe V erstellt. Die Folgen sind erheblich. Betreiber benötigen neue Fuhrparkstrategien und müssen sich mit den Verbrauchsprofilen ihrer Baustellen auseinandersetzen. In diesem Beitrag wird erläutert, warum ein Betrieb in Unterlast bei Stufe-V-Maschinen besonders problematisch ist und mit welchen Konzepten Stromversorger auf der Baustelle rund um die Uhr an ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden können.

 

Gemäß EU-Verordnung 2016/1628 dürfen die Hersteller seit dem 30. Juni 2021 keine Stromerzeuger der Stufe 3A mehr bauen. Bereits produzierte Maschinen können aber noch bis Jahresende verkauft werden. Die Abgasstufe V ist also bereits am Start und mit ihr – je nach Leistungsklasse der Maschine – sind es verschiedene Abgas-Nachbehandlungssysteme. Im Wesentlichen geht es dabei um die Elimination von Feinstaub über mechanische Filtersysteme sowie die Reduktion von Stickoxiden mithilfe einer selektiven katalytischen Reinigung durch Zufuhr von Harnstoff. Letztere ist vielen unter dem Markennamen „AdBlue“ bekannt.

Die eingesetzte Abgasbehandlung richtet sich nach der Leistungsklasse der Generatoren. Während es im unteren Leistungsbereich ausreicht, die Motoreinstellungen anzupassen, muss bei Maschinen ab etwa 19 kW Motorleistung mit elektronischer Drehzahlregelung, Oxidationskatalysator und Partikelfilter gearbeitet werden. In der Leistungsklasse von 56 bis 560 kW kommt die komplette Abgasnachbehandlung mit Harnstoff und Partikelfilter zum Einsatz. Bei Maschinen mit noch höherer Leistung kann auf den Partikelfilter wiederum verzichtet werden, da die entstehende Partikelmasse aufgrund der höheren Verbrennungstemperatur viel geringer ist.

 

Unterlastbetrieb verkürzt Filterstandzeit deutlich

Die technische Herausforderung des Partikelfilters liegt vor allem darin, dass sich im Filter Ruß sammelt. Es ist also sinnvoll, die beim Betrieb des Stromerzeugers entstehende Partikelmasse so weit wie möglich zu verringern, da der Filter sonst bereits nach kurzer Zeit gereinigt werden muss. Diese Reinigung erfordert Arbeiten auf der Baustelle zu unterbrechen und bringt diese im schlimmsten Fall zum Erliegen. Ein Generatorbetrieb in Unterlast und die damit verbundene suboptimale Kraftstoffverbrennung führen dazu, dass sich der Partikelfilter besonders schnell zusetzt.

 

Mit der Abgasstufe V rückt also auch die passende Dimensionierung der Stromerzeuger auf der Baustelle in den Mittelpunkt.

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Der optimale Arbeitspunkt liegt bei etwa 75 % der Nennleistung. Läuft ein Generator in diesem Leistungsbereich, fällt deutlich weniger Partikelmasse an, und die Standzeit des Filters erhöht sich entsprechend. Positive Nebeneffekte sind außerdem ein reduzierter Ölverbrauch und eine verlängerte Lebensdauer der Maschine.

Auf vielen Baustellen laufen Generatoren nur für wenige Stunden an ihrem optimalen Betriebspunkt. Auf den entsprechenden 24-Stunden-Lastprofilen zeigen sich ab dem späten Nachmittag, in den Pausenzeiten und vor allem nachts sogenannte Niedriglastphasen. Hier müssen sich Anwender die Frage stellen, wie sich das optimale „75-Prozent-Fenster“ vergrößern lässt.

Stromerzeuger mit Batteriespeicher kombinieren

Eine Lösung ist die Kombination des Stromerzeugers mit einem Batteriespeicher. Letzterer kann im Laufe des Tages geladen werden und dabei zu einer besseren Auslastung des Stromerzeugers in Phasen mit geringerem Strombedarf beitragen. Über Nacht kann der Speicher dann die Stromversorgung – beispielsweise für die Baustellenbeleuchtung – komplett übernehmen. So entsteht praktisch ein kastenförmiges Lastprofil für den Stromerzeuger. Das heißt, dieser wird immer gleichmäßig ausgelastet, und die benötigte Energiemenge wird effizienter und an einem besseren Arbeitspunkt erzeugt. Das zahlt sich auch finanziell aus, wie das folgende Beispiel zeigt:

 

  •  Für einen 80-kVA-Generator, der rund um die Uhr läuft und davon etwa 12 Stunden in Unterlast betrieben wird, ergeben sich Kraftstoffkosten von knapp 210 Euro pro Tag. Durch die Kombination mit einem Batteriespeicher lässt sich der Unterlastbereich komplett eliminieren, die reine Laufzeit des Generators beträgt dann nur noch 11 Stunden. Dadurch lassen sich pro Tag knapp 30 Euro an Kraftstoffkosten einsparen. Der weitaus größere Gewinn liegt aber darin, dass der Stromerzeuger effizienter betrieben und seine Lebensdauer dadurch deutlich verlängert wird.

Lastprofile für Baustellen einfach ermitteln

Für eine korrekte Dimensionierung der Stromversorgung und den Einsatz eines Hybridsystems aus Generator und Speicher muss allerdings der Strombedarf auf der Baustelle bekannt sein. Das ist ein Problem, denn viele Anwender wissen nicht, wie ihre Lastprofile über den Tag verlaufen. Als Begründung dafür ist oft zu hören, dass Baustellen immer wieder anders aussehen und daher Verbrauchsprofile nicht pauschal erstellt werden könnten. Nun ist sicherlich nicht jede Baustelle gleich, doch gibt es immer wieder ähnliche Anwendungen, so dass sich Gruppen von Arbeitsweisen ermitteln und Baustellentypen festlegen lassen. Je nach Typ kann dann die passende Stromversorgung dimensioniert und zum Einsatz gebracht werden.

 

Zur Gewinnung der Verbrauchsdaten ist beispielsweise ein Powermeter ein hilfreiches Tool. Die kleine Box lässt sich einfach und schnell über sieben Leitungen an den existierenden Stromerzeuger anschließen. Eine Speicherkarte erfasst dann, wie viel Energie über den Tag zu jedem Zeitpunkt auf der Baustelle verbraucht wird. Am Ende steht eine in Excel verwertbare Datei zur Verfügung, die den Verbrauch in Form einer Kurve transparent macht. Ein Vergleich dieser Grafen erlaubt es, verschiedene Baustellentypen zu erkennen, denen dann eine jeweils passende Stromversorgung zugeordnet werden kann. Auch nachträglich bietet ein Powermeter die Möglichkeit zu prüfen, ob die Auslegung richtig war.

 

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Alternativ kann zur Erfassung der Verbrauchsdaten auch ein Telemetriesystem, wie beispielsweise FleetLink von Atlas Copco, eingesetzt werden. FleetLink wurde entwickelt, um Maschinenflotten aus der Ferne zu überwachen und zu verwalten. Atlas Copco empfiehlt seinen Kunden den Einsatz dieses Systems aber vor allem beim Kauf eines neuen Stromerzeugers. Um den Verbrauch von Bestandsgeräten zu prüfen, setzt der Hersteller dagegen auf das Powermeter

So sehen die Arbeitsweisen der Zukunft aus

Selbstverständlich wird es auch in Zukunft auf der Baustelle die klassische Arbeitsweise mit einem einzelnen Stromerzeuger geben. Doch entwickeln sich Hybridsysteme aus Stromerzeuger und Batteriespeicher immer mehr zu einer sinnvollen Alternative. Parallel gibt es weitere Lösungen, um eine effiziente und bedarfsgerechte Energieversorgung zu realisieren. So können beispielsweise zwei oder mehrere kleine Generatoren parallel betrieben und über ein Powermanagement gesteuert werden. Beide Systeme haben Vor- und Nachteile.

 

Beim Hybrid-System sitzt die komplette Intelligenz im Batteriespeicher. Dort wird entschieden, wann der Generator hinzugeschaltet werden muss. Der Stromerzeuger ist nur als Versorger angeschlossen. Durch die Reihenschaltung ist die Batterie bei der Stromversorgung der limitierende Faktor, da nur eine begrenzte Leistung hindurchgeschleust werden kann. Auch lässt sich die volle Systemleistung nur bei laufendem Stromerzeuger erzielen. Auf der anderen Seite läuft die geladene Batterie auch bei abgeschaltetem Generator, was die Möglichkeit eröffnet, Wartungs- und Ruhezeiten zu definieren. Darüber hinaus können weitere Stromquellen, wie beispielsweise ein Photovoltaik-System, an den Speicher angeschlossen werden. Die Programmierung kann bereits in der Werkstatt erfolgen, so dass sich das System auf der Baustelle in weniger als fünf Minuten in Betrieb nehmen lässt. Änderungen können über ein Fernwartungssystem (GSM) vorgenommen werden.

 

Beim Powermanagement sitzt die Intelligenz im Bussystem, das die parallel geschalteten Stromerzeuger verbindet und steuert. Das heißt, die Generatoren können dynamisch hinzu- oder abgeschaltet werden. Das bedarf allerdings einiger Vorbereitung, da die Maschinen dafür vorab parametriert werden müssen. Unter Umständen sind auch weitere Zusatzkomponenten erforderlich. So müssen die Stromerzeuger beispielsweise bei einer plötzlichen hohen Lastanforderung, wie beispielsweise im Tunnelbau, bereits vorher synchronisiert sein. Dafür ist eventuell ein zusätzlicher Hauptschalter notwendig. Insgesamt ist das Powermanagement komplexer, aber dafür in der Anwendung flexibler, auch weil sich das System beliebig nach oben und unten skalieren lässt.

 

Unterm Strich ist das Powermanagement vor allem für größere Baustellen, wie beispielsweise im Tunnelbau, oder für Baustellen mit Redundanzanforderungen geeignet. Aufgrund der aufwendigeren Vorbereitung kommen die Systeme häufig für Langzeitanwendungen zum Einsatz, gegebenenfalls auch im Netzparallelbetrieb. Das Hybrid-System ist für kleinere Anwendungen prädestiniert, wie kleine Baustellen, den Kranbetrieb oder für Veranstaltungen sowie für Bereiche, in denen Ruhezeiten eingehalten werden müssen. 

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