E-Landwirtschaft

Während bis 2020 der Elektrofahrzeuganteil an den PKW-Neuanmeldungen im einstelligen Prozentbereich lag, ist seit 2021 ein sprunghafter Anstieg auf etwa 20 % zu verzeichnen.

Neuzulassungen von E-Fahrzeugen und Anteil an der Gesamtzahl der neu zugelassenen PKW:

Gründe dafür sind neben dem langsam günstiger werdenden Anschaffungspreis eine Reihe von staatlichen Förderungen bzw. Sonderregelungen

(Quelle: http://www.austrian-mobile-power.at und https://www.oeamtc.at/thema/elektromobilitaet/).

• Für Elektrofahrzeuge wird in Österreich keine NoVA (Normverbrauchsabgabe) eingehoben. Diese beträgt für andere Fahrzeuge 8 – 16 % des Anschaffungspreises.
• Für Kraftfahrzeuge, die ausschließlich elektrisch betrieben werden, entfällt die motorbezogene Versicherungssteuer.
• Für Elektrofahrzeuge, die als Firmenwagen dem Arbeitnehmer zur Verfügung gestellt werden, wird kein Sachbezug angesetzt (sonst 1,5 – 2,0 %, je nach Fahrzeug).
• Elektro-PKWs sind vorsteuerabzugsberechtigt, wenn sie als Firmenfahrzeug angeschafft werden. (Achtung: „Luxustangente“ € 40.000; ab € 80.000 Anschaffungspreis kein Vorsteuerabzug mehr möglich!)
• Zusätzliche Förderungen von Ländern und Gemeinden.
• E-Mobilitätsförderung für Betriebe: 2022 – 2000 € für reine Batterie-Elektrofahrzeuge (BEV), 2022 – 1000 € für Plug-In-Elektrofahrzeuge (PHEV). Diese Förderschiene läuft aus.
• E-Moblitätsförderung für Private (seit 01.07.2020): 2022 und 2023 – 5000 € für BEV, 2500 für PHEV
• Seit April 2017: Nummerntafeln mit grüner Schrift für gemeindespezifische Vorteilsregelungen (Benutzung von Busspuren, Gebührenfreiheit bei Parkplätzen etc.) – derzeit allerdings kaum genutzt
  
• Weniger Wartungsaufwand und niedrige Betriebskosten (Strompreis derzeit ca. € 0,20/kWh; auf 100 km werden etwa 15 kWh benötigt, d.h. € 3/100 km); es wird erwartet, dass der Strompreis stabiler bleibt als etwa der Preis für fossile Rohstoffe.
• Weniger Geräuschentwicklung (Motor fast lautlos, von außen hört man nur das Abrollgeräusch).

Als Nachteile können genannt werden:

• Kein flächendeckendes Netz von Schnell-Ladestationen; Fahrten über größere Distanzen müssen genau geplant werden.
• Hohe Kosten beim Austausch des Akku-Satzes.
• Im Vergleich zu Diesel- bzw. Benzinfahrzeugen nach wie vor hoher Anschaffungspreis

Im landwirtschaftlichen Bereich ist derzeit (2023) im Segment rein elektrisch betriebener Traktoren, Muldenkipper oder Mähdrescher noch keine vergleichbare Dynamik in Sicht. Hier werden eher Hybrid-Systeme bei den einschlägigen Messen vorgestellt. Grund dafür ist die eingeschränkte Akku-Kapazität für leistungsintensive Einsätze.

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Beispiele

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Fendt e300 Vario: Vorgestellt 2023, Nachfolgemodell zum e100 Vario (2017).

Es handelt sich um einen vollelektrischen Kompakttraktor mit 100 kW (136 PS) Antriebsleistung; zwei AEF-konforme Leistungsschnittstellen für elektrische Arbeitsgeräte. Der Traktor wird von Holland-Utrecht im Auftrag von Fendt gebaut.

Energiespeicher: 650 V Lithium-Eisenphosphat-Batterie, wahlweise 2 oder 3 Akkupacks mit je 120 kWh Ladekapazität; Ladung mit 400 V/22 kW Wechselspannung (CEE-Dose) oder mit Gleichspannung. Mit einem genormten CCS Typ 2-Stecker kann die Batterie innerhalb von 40 Minuten auf 80 % aufgeladen werden.

Laut Hersteller soll mit einer Akkuladung 8 Stunden Alltagseinsatz möglich sein. Dieser Traktor eignet sich besonders für den kommunalen Einsatz.

Geplanter Bruttopreis: € 495 000

Weidemann 1160e Hoftrac: Vollelektrisches Konzept (Batterie)

John Deere SESAM 2 (Sustainable Energy Supply for Agriculture Machinery): 2022 vorgestellter Prototyp; Bauweise mit oder ohne Kabine für vollautomatischen Betrieb. Zwei Elektromotoren mit je 250 kW (340 PS) Leistung; Batterie mit einer Kapazität von ca. 1000 kWh. John Deere gibt an, dass „ein Arbeitstag“ mit dieser Kapazität möglich ist.

Ladetechnologien für Elektrofahrzeuge

Typ-2-Stecker (IEC 62196 Typ 2): Dieser Anschluss wurde speziell für das Laden von Elektro- und Plug-In-Hybrid-Fahrzeugen vom Steckdosenhersteller Mennekes entwickelt. Wie der CEE-Drehstromstecker gibt es auch hier 5 Leistungskontakte (L1, L2, L3, N und PE). Außerdem verfügt dieser Anschluss über zwei Kommunikationskontakte (CP = Contact Pilot, PP = Proximity Pilot), über die das Elektrofahrzeug mit dem Ladepunkt kommuniziert. Der PP-Kontakt wird dabei für die Übermittlung des maximalen Ladestroms verwendet.

Dieser Stecker hat auch eine mechanische Verriegelung; deshalb ist es nicht möglich, den Stecker während des Ladevorgangs einfach abzuziehen.

In den meisten Fällen kann über den Typ-2-Anschluss mit einer Leistung von 11 kW (bei 16 A Stromstärke) bzw. 22 kW (32 A) geladen werden. Es gibt vereinzelt auch Ladestationen, welche 43 kW (63 A) zulassen. Da sich die Anschlüsse äußerlich nicht unterscheiden, kann man nicht erkennen, welche Maximalleistung der Ladepunkt zur Verfügung stellt.

Da die Batterie mit Gleichstrom geladen werden muss, ist im Bordladegerät (OBC = On Board Charger) ein Gleichrichter verbaut. Außerdem steuert eine Ladeelektronik den Ladevorgang, sodass es zu keinen Überlastungen kommt.

CCS2-Anschluss (Combined Charging System): Der obere Teil dieses Steckers ist identisch mit dem Typ-2-Stecker, allerdings ohne die Kontakte für Wechselstrom.

Der CCS-Anschluss dient daher für das Laden mit Gleichstrom.  Das hat den Vorteil, dass kein Gleichrichter (der immer ein Nadelöhr darstellt) zwischen Ladepunkt und Batterie geschaltet werden muss.

Mit diesem Schnelladeanschluss  lassen sich Ladeleistungen von 50 kW (125 A), 150 kW (400 A) oder sogar 350 kW (500 A) abrufen.

Für den CCS-Stecker gibt es an den Ladesäulen keine Anschlussdose, sondern nur ein fest angeschlagenes Kabel. Man man daher auch kein separates Ladekabel mitführen, da man das Kabel der Ladestation verwendet.

CHAdeMO-Anschluss (Charge de Move): Dieses Gleichstrom- Schnelladesystem ist in älteren japanischen bze. koreanischen Fahrzeugen (etwa Nissan Leaf, Kia Soul EV) anzutreffen. Dieser Ladestandard spielt in Europa nur noch eine untergeordnete Rolle. Die maximalen Ladeleistungen betragen 50 kW (125 A) bzw. 100 kW (200 A).

Natürlich können auch CEE-Drehstromstecker (AC 400 V) verwendet werden; dann ist allerdings eine mobile Ladestation („Wallbox“) nötig. Diese kann mit einem bestehenden 400-V-Stromanschluss verbunden werden. Eine Schuko-Steckdose sollte nur im Notfall verwendet werden, da sie nur geringe Ladeleistungen ermöglicht (1,8 – 2,3 kW bei einem max. Dauerstrom von 8 – 10 A).

Die Ladeleistung an der Wallbox beträgt meist 11 kW.

Einige Wallboxen können so konfiguriert werden, dass die Lade-Tätigkeit sogar mit der Verfügbarkeit von günstigem Nachtstrom abgestimmt wird.

Quelle: u.a. https://ladehero.de/blog/was-man-ueber-das-laden-wissen-muss

Hybridantriebe

Das Wort „hybrid“ stammt ursprünglich aus dem Griechischen („hybris“ = Übermut, Anmaßung) und kam über das Lateinische („hybrida“ = Mischling, Bastard) zu seiner heutigen Bedeutung „gemischt“ bzw. „gekreuzt“.

Ein Hybridantrieb verwendet also verschiedene Antriebstechnologien. Ein Hybridfahrzeug ist nach UNO-Definition ein Fahrzeug, in dem mindestens zwei Energieumwandler und zwei im Fahrzeug eingebaute Energiespeichersysteme vorhanden sind, um das Fahrzeug anzutreiben.

Energieumwandler	Energiespeicher
Otto- oder Dieselmotor	Kraftstofftank Diesel, Benzin
Elektromotor	Akku: elektrochemisch: NiCd-Akku, Li-Ionen-Akkuinduktiv: z.B. Supraleiterelektrostatisch: z.B. Supercaps

Dazu ist zu sagen, dass elektrische Energiespeicher wesentlich höhere Massen für dieselbe abgegebene Leistung benötigen als etwa ein Dieselmotor. Beispiel: 100 kW, 2 Stunden Betrieb -> 1260 kg Li-Ionen-Akku, aber nur 50 kg Diesel.

Einteilung nach dem Anteil der elektrischen Leistung

• Voll-Hybrid: Ein kleiner Akku wird in erster Linie durch Verzögern des Fahrzeugs geladen („rekuperieren“), statt dass die Bremsenergie an den Bremsschreiben in Wärme umgewandelt wird. Kurze Strecken (maximal 2 – 5 km) können auch rein elektrisch zurückgelegt werden. Eine Aufladung der Batterie an der Steckdose ist nicht möglich.
• Mild-Hybrid: Diese Variante funktioniert ähnlich wie der Voll-Hybrid, rein elektrisches Fahren ist hier allerdings nicht möglich – der Elektromotor agiert nur unterstützend. Zusätzlich zur 12 V-Starterbatterie kommt eine 48 V-Batterie zum Einsatz, die den Elektromotor versorgt; eine Aufladung dieser Batterie an der Steckdose ist nicht möglich.
• Plug-in-Hybrid (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle): Darunter versteht man Hybridfahrzeuge, deren Batterie auch an der Steckdose aufgeladen werden kann. Sie haben einen deutlich stärkeren Elektromotor und einen Akku mit größerer Kapazität als „normale“ Hybride. Bei PKWs können Strecken zwischen 50 km und 100 km rein elektrisch zurückgelegt werden.

Die Bezeichnung Mikro-Hybrid wird beschönigend für Fahrzeuge mit Start-Stopp-Automatik verwendet; solche Fahrzeuge zählen aber nicht zu den Hybridfahrzeugen.

Einteilung nach Systemstruktur

Quelle der Zeichnungen: Dr. J. Karner, Josephinum Research; weitere Quellen: DI R. Stirnimann, KTBL-Vortrag „Elektrifizierung von mobilen Maschinen“ 2020; KTBL-Schrift 519: Alternative Antriebssysteme für Landmaschinen.

Serieller Hybrid: Dieselelektrische Konzepte mit Traktionsbatterie

Verbrennungskraftmaschine, Generator und E-Motor in Serie

Der Verbrennungsmotor hat keine mechanische Verbindung mit den Antriebsrädern. Er treibt einen elektrischen Generator an, der die Fahrenergie bereitstellt bzw. den Fahrakku lädt.

Kann der Fahrakku auch über eine externe Steckdose geladen werden, so hat man ein Plug-In-Hybrid-System.

Der Elektromotor muss immer das gesamte geforderte Drehmoment sowie die gesamte geforderte Leistung bringen.

Die häufigsten Anwendungsfälle sind dieselelektrische Lokomotiven, U-Boote und Schiffe sowie große Lastkraftwagen wie Großmuldenkipper.

Grund dieses Verfahrens ist, dass Dieselmotoren wie alle Verbrennungsmotoren nur in einem eng begrenzten Drehzahlbereich mit optimalem Wirkungsgrad betrieben und nicht unter Last angefahren werden können.

Derzeit verfügbare landtechnische Hybridsysteme sind fast ausschließlich mit serieller Hybridtechnologie ausgestattet.

• Spitzenleistung von Batterie abgedeckt
• ermöglicht Freiheiten in der Konstruktion
• E-Antrieb und VKM auf Dauerleistung ausgelegt

In letzter Zeit setzt sich die Verwendung von Drehstromgeneratoren mit Drehstrom-Asynchron-Motoren durch, zusammen mit einer elektronischen Leistungsregelung durch IGBTs oder GTO-Thyristoren, bei der die Frequenz des Stroms durch Frequenzumrichter der jeweiligen Fahrsituation angepasst wird.

Paralleler Hybrid: Generatorkonzept

Die Leistungsübertragung für den Fahrantrieb erfolgt hier weiterhin rein mechanisch.

Im Gegensatz zum seriellen Konzept ist nur eine elektrische Maschine notwendig.

Hier wirkt der Elektromotor gemeinsam mit dem Verbrennungsmotor auf den Antriebsstrang. In mindestens einem Betriebszustand sind die Kräfte oder Drehmomente der einzelnen Antriebe gleichzeitig verfügbar. Das ermöglicht eine schwächere Auslegung des Elektromotors und des Verbrennungsmotors, was Kosten, Gewicht und Bauraum spart, im Falle des Verbrennungsmotors auch Kraftstoff (downsizing).

• Leistungs-/Momenten-Addition
• Drehzahladdition
• Zugkraftaddition

Rein elektrisches Fahren wäre mit zusätzlicher Kupplung möglich.

Mit dem durch den Generator erzeugten Strom werden externe Verbraucher (z. B. kleine Elektromotoren auf Anbaugeräten) und/oder Nebenaggregate auf dem Fahrzeug selber (z. B. Ventilator, Kompressor) angetrieben.

Wrkungsgradkette

Kühlbedarf!

Leistungsverzweigter Hybrid

Elektrisch-mechanisch leistungsverzweigte Getriebekonzepte sind ähnlich aufgebaut wie ihre hydrostatisch-mechanischen Pendants. Anstelle der Hydroeinheit (Pumpe/Motor) wird hier eine elektrische Einheit (Generator/Motor) in den variablen Zweig eingebaut.

Mischhybride kombinieren den seriellen und den parallelen Hybridantrieb (oft variabel) während der Fahrt entsprechend den Fahrzuständen. Je nach Betriebsart und Fahrzustand kann entweder die Verbrennungskraftmaschine mit dem Generator nur den elektrischen Energiespeicher (Hybridbatterie) laden und den Elektromotor antreiben (serieller Hybridantrieb) oder mechanisch mit den Antriebswellen gekoppelt sein (paralleler Hybridantrieb). Bei diesem kombinierten Hybridantrieb wird lediglich mittels einer (automatisch betätigten) Kupplung zwischen den beiden Betriebsarten umgeschaltet.

• VKM-Leistung auf zwei Stränge aufgeteilt
• 2 elektrische Maschinen
• elektrischer Zweig sorgt für Drehzahlvariabilität; mehrmalige Energieumwandlung
• mechanischer Zweig für guten Wirkungsgrad
• zur Verringerung der Verluste möglichst wenig elektrische Leistung

Wirkungsgrad gesamt:

Leistungsübertragung Traktor – Gerät

Variante 1

• Traktor: Generator, Gleichrichter und Wechselrichter
• Schnittstelle: Wechselstrom (closed loop)

Variante 2

• Traktor: Generator und Gleichrichter
• Schnittstelle: Gleichstrom
• Gerät: pro Antrieb ein Wechselrichter

Variante 3: Zapfwellengeneratoren

Keine Voraussetzungen am Traktor, Stromerzeugung ausschließlich im Aggregat)

• Traktor: Zapfwelle
• Schnittstelle: Gelenkwelle, mechanische Leistungsübertragung
• Gerät: Generator, Gleich- und Wechselrichter, Motoren

Elektrisch betriebene Nebenaggregate

„Steckdose am Traktor“ (Marketing-Begriff – beinhaltet Steuerung übers Mobiltelefon, ISO-Bus usw.)

• John Deere e-Premium, 6210RE
• Fendt X-Concept

Traktor und Sämaschine: ZF, SDF, Amazone

• Elektrifizierung von Nebenaggregaten am Traktor
• elektrische Antriebe am Gerät (Gebläse, Vereinzelung)
• Generator (PSM, 50 kW Dauerleistung) am Eingang des hydrostatisch leistungsverzweigten Getriebes (VKM-Drehzahl, kein Hochsetzen)
• 6% Verbrauchseinsparung durch Elektrifizierung der Nebenaggregate

Kreiselschwader: Pöttinger

variable Kreiseldrehzahl durch elektrischen Antrieb

Ziele

• Drehzahlanpassung an die Futtermasse
• Verringerung von Bröckelverlusten
• Verringerung der Futterverschmutzung