Arbetsmaskiner . svarar i Sverige för 6 % av koldioxidutsläppen i Sverige. För transportsektorn har det satts upp ambitiösa utsläppsmål och emissioner från personbilar minskar i en takt man inte trodde var möjlig för några år sedan. Samma debatt finns inte för arbetsmaskiner.
Så om inget händer skulle arbetsmaskiner år 2030 komma att svara för lika stora CO2-utsläpp som hela transportsektorn. Så kommer det naturligtvis inte att bli. Också arbetsmaskiner kommer att bli energieffektivare och drivas av alternativa drivlinor.
Trafikverket har låtit göra en studie över potentialen för energibesparing i arbetsmaskiner för att minska deras klimatpåverkan (Trafikverket 2012:223). I rapporten finns en uppskattningar kring potentialen för energieffektivisering. Som exempel nämns förbättrade dieselmotorer kan ge 20 – 30 % bränslereduktion och förbättringar i drivlinan kan ge 15 – 20 %. Störst potential finns i hybridisering som kan ge 30 ‑ 50% och det ska vi studera närmare här.
Metoder för att studera alternativa koncept
Förutsättningarna för att hybridisera arbetsmaskiner skiljer sig mycket från vägfordon och mellan olika typer av fordon. Därför kommer vi att se väldigt olika drivlinor för olika arbetsfordon.
SP har gjort en studie på hur alternativ framdrift kan användas i dumprar och containertruckar, studien har genomförts med stör från Chalmers och tillsammans med Volvo på en dumper och med Kalmar på en truck. Liknande studier har gjorts på skogsmaskiner och traktorer.
Det huvudsakliga arbetsredskapet är simuleringprogrammet Simulink. Att skapa en maskinmodell i Simulink kräver god kunskap om de olika kraftsystemen och för att sedan överföra detta i ett simuleringsprogram tar en hel del tid och tankeverksamhet. Många uppgifter som motormappar och egenskaper hos andra av drivlinans komponenter är inte helt lätta att få tag på men man ska vara medveten om att en modell som enbart ska hantera energiflöden och effekter inte behöver vara allt för detaljerad.
Ett svårare problem kan vara hur modellen ska användas. Fig 1 ett visar en maskin som kör en terrängbana. Genom att sätt ett börvärde på hastigheten kan man jämföra hur maskinen presterar med olika varianter av drivlina. Eftersom banan är kuperad finns en hel del bromsenergi att återvinna. Energiförbrukning och körtid är de intressanta resultaten men resultaten är bara intressanta om körfallet är relevant.
Användarkrav på en arbetsmaskin.
Ibland dyker tanken upp att med en ny drivlina får man en ny maskin med nya möjligheter som kan användas på ett helt annat sätt. I praktiken verkar det inte riktigt vara så. Dieselmotorn är en utmärkt kraftkälla som framför allt tillsammans med hydraulik ger utomordentlig flexibilitet. Man kan jämföra med elbilar där det ofta diskuteras vilka försämringar i form av körsträcka och ”tankningstid” vi konsumenter tål. Fördelarna med eldrift finns på den viktiga miljösidan men är svåra att se i övrigt.
En arbetsmaskins prestation mäts i första hand i sådana storheter som förflyttade ton per timme och avverkade kubikmeter skog per timme. Förbrukningen av fossila bränslen är definitivt en fråga och det görs mycket arbete för att minska eller eliminera C02-utsläpp men dagens kunder prioriterar maskinens produktivitet.
Maskiner i tungt arbete
Begränsningarna för en elektrisk drivlina är inte mindre problematiska för en arbetsmaskin. Inom lantbruket finns det av naturliga orsaker en stark vilja att få fram mera ekologisk drift. SP har tillsammans med JTI och med finansiering från bl.a. LRF studerat traktorer som arbetar inom stora gårdar med transport av foder m.m. Det visade sig att det allra mesta jobbet kan utföras av en traktor med ett batteri där man kan utnyttja 50 kWh och har tillgång till hyggligt stor laddningseffekt. I det fallet är vinsten med avgasfri drift inne i byggnader viktig.
Ute på åkern ser det annorlunda ut. Plöjning kräver ca 100 kW kontinuerlig motoreffekt för en sexskärig plog och drift i hela arbetsskift med begränsade pauser. Batteridrift bli inte rimligt vare sig när det gäller batteristorlek, pris eller laddning. För hundra år sedan testade man däremot drift med elkabel (se fig 2) och idén studeras nu igen. Modern praktisk erfarenhet finns från gruvdrift där eldrift via kabel redan används för att förbättra miljön under jord.
Komplexa arbetscykler
Möjligheterna till energibesparing i hybriddrift beror i hög grad på arbetscykeln. Ett av de bästa exemplen är gaffeltryckar som hanterar tung last. Ett konstruerat exempel som visar potentialen i en containertruck finns i fig 4 Exemplet förutsätter att all energi återvinns.
Vid första anblicken ser det ganska enkelt ut att spara 50% av energin. Den maximala upplagringen av energi kräver bara ett batteri på några kWh, dvs mindre än vad en laddningsbar personbil har.
Lite värre är det med effektkravet. Dieselmotorn har en max effekt på i storleksordningen 250 kW. En alternativ drivlina förväntas inte ge sämre prestanda vilket innebär att en elmotor som ska ersätta en dieselmotor helt i delar av cykeln måste ha samma effekt. Eftersom momentkurvorna ser ganska olika ut är det inte helt sant, men ungefär. En elmaskin av den storleken kan också i teorin driva lyft av t.ex. en 30 tons container och ta upp energin när containern sänks ner men det finns en hel del tekniska utmaningar i hur det ska gå till.
Bromsarna på ett fordon bromsar ut mer effekt än drivmotorn. Bromssträckan för en vanlig bil är avsevärt kortare än motsvarande accelerationssträcka. Skillnaden är ofta större för en arbetsmaskin. Av säkerhetsskäl behöver man rimligt kort bromssträcka men accelerationssträckan är en fråga om hur stor motor man vill kosta på maskinen. Att ta hand om all bromsenergi i alla lägen skulle kräva en elmaskin på 1 MW i en tung arbetsmaskin.
En stor del av energin förbrukas ofta av verktyg. En gaffeltruck sänker i allmänhet ner lika mycket som den lastar upp. En ideal konstruktion skulle alltså klara sig med väldigt lite energi om allt kunde återvinnas medan t.ex. en såg i en skogsmaskin inte kan återvinna något.
Elektrisk drivlina
Hybriddrivlinor kan byggas på olika sätt. Fig 5 visar en variant. Elmaskinen kan kopplas från direkt på motoraxeln till direktdrivning av hjulen, parallellt eller i serie med dieselmotorn. Vid parallelldrift får man fördelen att man kan minska ner dieselmotorns storlek och få gynnsammare och därmed snålare driftfall. Principerna skiljer inte så mycket från hybridbilar.
Andra alternativ
Det man kan se är att det kan finnas stora vinster att hämta men arbetsmaskiner är inte alltid lämpade att bygga som elhybrider. Batteridrift används på lagertruckar och lämpar sig också för en del andra maskiner som t.ex. inomgårdstraktorer som nu erbjuds av tillverkaren Weidermann. Elhybridteknik testas också av till exempel Merlo som bygger en s.k. teleskoplastare med hybriddrift och Elforest har byggt några skogsmaskiner som är seriehybrider.
De flesta maskintillverkare har mycket mer erfarenheter från hydraulik än från elmaskiner. SPs studie kom därför också att handla en hel del om hur hydrauliksystem kan göras effektiva. Energin kan enkelt lagras i trycktankar. Energimängden blir liten men det har byggts välfungerande hydraulhybrider för sophantering och distribution och Kalmar truck har byggt terminaltraktorer för hamnar.
Ett spännande och allt mer realistiskt alternativ är bränsleceller. Vi väntar på en infrastruktur för vätgas och på att priset på bränsleceller ska gå ner därmed tar vätgasdrift bort många av batteriets begränsningar och lyfter elektrisk framdrift till en ny nivå.
Framtiden får utvisa vilken energiform och vilka drivlinor vi ska använda men en sak är helt säker, också arbetsmaskiner kommer att anpassas till drivlinor som inte använder fossila bränslen.
Jan Welinder SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut