Hafenkrane Innovation als Antwort auf neue Emissionsrichtlinien

Autor / Redakteur: Jutta Klein-Wiele / M. A. Benedikt Hofmann

Auf dem jüngsten G-7-Treffen und im Vorfeld des Weltklimagipfels 2015 haben sich die führenden Industriestaaten darauf verständigt, die Nutzung fossiler Brennstoffe bis zum Jahr 2050 deutlich zu reduzieren. Bei Verbrennungsmotoren > 560 kW treten dadurch jetzt neue Richtlinien in Kraft.

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Zwei Hafenmobilkrane Terex Gottwald Modell 6 mit dieselelektrischem Antrieb, die in einem Hafen in Südamerika ihren Dienst tun.
Zwei Hafenmobilkrane Terex Gottwald Modell 6 mit dieselelektrischem Antrieb, die in einem Hafen in Südamerika ihren Dienst tun.
(Bild: Terex Port Solutions)

Die gesteckten Klimaziele appellieren an die Innovationskraft der Hersteller von Verbrennungsmotoren und der Unternehmen, die, wie Terex Port Solutions (TPS), entsprechende Motoren einbauen. So soll in den kommenden zwei Jahren die in manchen Ländern bereits praktizierte schrittweise Absenkung von Emissionen aus Motoren für On-Road-Anwendungen (etwa Lkw) und sogenannter Non-Road-Mobile-Machinery, kurz NRMM genannt, zu denen auch Hafen-
umschlaggeräte gehören, ausgeweitet werden. Bei Motoren mit einer Leistung
< 560 kW sorgen die Auflagen seit geraumer Zeit für höhere Umweltfreundlichkeit – Regelungen auch für Motoren oberhalb dieser 560-kW-Marke werden bald in Kraft treten.

Forderung nach umweltfreundlichen Antriebstechnologien

Als innovativer Systemanbieter unterstützt TPS seit Jahren konkret die Forderung nach umweltfreundlichen Antriebstechnologien im Hafen. Dabei nutzt das Unternehmen unter anderem folgende Möglichkeiten:

  • Als Entwickler von Umschlaggeräten und -technologien betrifft ein wesentlicher Teil der Innovationsaktivitäten die Schaffung von emissionsarmen und wirtschaftlichen Antriebsalternativen zu Verbrennungsmotoren, zum Beispiel für Hafenkrane oder fahrerlose Transportfahrzeuge (AGV).
  • Als Verwender von maschinenbautechnischen Komponenten hat es TPS in der Hand, für seine Geräte diejenigen Verbrennungsmotoren auszuwählen, die sowohl den eigenen Umweltkriterien als auch den gültigen Emissionsstandards entsprechen.

Ziel ist es, Kunden nachhaltige Lösungen zu bieten, welche die weltweit bereits in Kraft befindlichen Regelwerke für Dieselmotoren (siehe Kasten) – einschließlich der Übergangsregelungen wie etwa TPEM (USA) oder das sogenannte Flexibilitätssystem (EU, EFTA, Türkei) – ebenso berücksichtigen wie zukünftige Regularien.

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Den Unterschied macht dabei die jeweilige Motorleistung. Während die Abgaswerte von Verbrennungsmotoren < 560 kW bereits in den meisten Industrienationen reguliert sind, setzen bei Verbrennungsmotoren > 560 kW bislang nur die USA, Kanada und Singapur auf strengere Regelungen. Jedoch haben China und die EU bereits angekündigt, die Emissionsgrenzwerte bis 2016 beziehungsweise 2017 senken zu wollen. Da trifft es sich gut, dass TPS seinen Kunden innovative und bereits erprobte additive oder alternative Antriebslösungen bieten kann.

Herausfordernde Situation bei Dieselmotoren > 560 kW

Da die Marktbedingungen (Zugang, Wettbewerbssituation, Kosten) im Bereich der Motoren < 560 kW aufgrund des viel größeren Marktvolumens ungleich besser sind als bei NRMM-Dieselmotoren > 560 kW, sehen sich die Anbieter von Hafenumschlaggeräten vergleichsweise signifikant höheren Preisen für Motoren mit dem Standard „EPA Tier 4 final“ beziehungsweise „EU Stage IV“ gegenüber. Hinzu kommt, dass die Hersteller von Hafenumschlaggeräten es im Motorensegment > 560 kW mit technologisch sehr komplexen und baulich größeren Antriebsaggregaten (unter anderem Einsatz von Abgasnachbehandlungssystemen und Zusatztanks) zu tun bekommen. Das erfordert entsprechend mehr Bauraum und folglich gravierend veränderte Gerätekonstruktionen. Und auch was die Betreiber von Hafenumschlaggeräten mit Motoren > 560 kW angeht, so sehen sich diese nicht nur mit betriebswirtschaftlichen Herausforderungen konfrontiert, sondern haben es auch mit strengeren Auflagen für Dieselkraft- (schwefelarm) und Zusatzstoffe (Adblue) zu tun.

So ist dann auch für die Betreiber von Hafenumschlaggeräten die Verschärfung der Emissionsrichtlinien nicht folgenlos. Sie müssen – auch und vor allem bei der Verlegung von Equipment in Länder und Regionen mit niedrigeren Emissionsstandards – darauf achten, dass die zum Betrieb der jeweiligen Geräte benötigte Kraftstoffqualität samt Zusatzstoffen am Einsatzort verfügbar sind.

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Auf einen Blick
Wichtige Regeln für NRMM:

USA: US Federal EPA 40 CFR Part 89 mit der jetzt gültigen Abgasstufe „EPA Tier 4 final“

EU: Richtlinie 97/68/EC mit den Abgasstufen „EU Stage IV bzw. V“ einschließlich der Änderungsrichtlinien und Ergänzungen

Beide Regelwerke basieren auf einer Einstufung in Emissionskategorien mit zulässigen Werten für CO (Kohlenmonoxid), HC (Kohlenwasserstoffe), NOX (Stickoxide) und PM (Feinstaub)

Rest der Welt: Zahlreiche Länder übernehmen die US- bzw. EU-Regelwerke. Andere, wie Indien und Brasilien, lehnen ihre eigenen Richtlinien daran an.

Die Energieversorgung von Hafenumschlaggeräten erfolgt abhängig von der Geräteart häufig per Dieselgenerator oder dieselhydraulisch (Diesel-Pumpen-Antriebsstrang). Je nach Hafeninfrastruktur und Gerätetyp ist auch eine Versorgung mit externem Strom oder eine batterieelektrische Variante möglich. Die bei Einsatz von Dieselmotoren verfügbare Maschinenleistung orientiert sich dabei jeweils an der Umschlagaufgabe sowie an Gerätetyp und -größe. Aktuell setzt TPS ein breites Spektrum an Dieselmotoren ein. Die Leistungen reichen dabei derzeit von
142 kW, wie zum Beispiel bei Terex-Staplern, bis zu deutlich über 1000 kW beim größten dieselgeneratorisch betriebenen Terex-Gottwald-Hafenmobilkran.

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So erfüllen bereits jetzt im aktuellen Produktportfolio von TPS Automated Guided Vehicles (AGV), Reach Stacker, Portal-, Voll- und Leercontainerstapler, Portalhubwagen, gummibereifte Stapelkrane sowie kleinere Hafenmobilkrane mit Dieselmotoren bis zu 455 kW Leistung die zurzeit geltenden und zukünftigen Emissionsstandards. Besonders betroffen von kommenden, strengeren
Regelungen für Verbrennungsmotoren
> 560 kW wird hingegen das Gros der Hafenmobilkrane von TPS mit dieselelektrischem Hauptantrieb sein. Von Interesse ist hier insbesondere, dass die in diesen Kranen installierte Dieselmotorleistung in der Regel für Spitzenlasten ausgelegt ist – die im tatsächlichen Betrieb nicht durchgehend benötigt werden. Daraus ergeben sich für das Antriebssystem für diese Hafenmobilkrane bei Einsatz von Dieselmotoren zwei Möglichkeiten, um angemessen auf kommende Regelungen zu reagieren:

  • die Verwendung von zwei Dieselmotoren mit geringerer Leistung, also unterhalb
    560 kW (sogenannter Doppelmotor),
  • der Einbau eines kleineren Dieselmotors (sogenanntes Downsizing) plus einer zweiten, nicht fossilen Energietechnik, die bei Bedarf für Spitzenlasten aufkommt (Hybrid).

Als einer der Vorreiter für den „grünen“ Hafenumschlag beobachtet TPS schon seit Langem die Entwicklung einschlägiger Emissionsregelwerke. Darüber hinaus hat das Unternehmen vor allem wegen des Rufs der Terminalbetreiber nach energieeffizienteren Antrieben früh damit begonnen, alternative oder ergänzende Antriebssysteme für sein gesamtes Hafenumschlaggerät zu entwickeln.

Portfolio innovativer Antriebe für stationäre und mobile Geräte

Von zentraler Bedeutung bei dieser Entwicklung sind und waren für TPS immer die spezifischen Einsatzbedingungen der Umschlaggeräte, die sich in die drei maßgeblichen Kategorien „stationär“, „überwiegend stationär“ und „mobil“ einteilen lassen. Ebenso wichtig ist es, einmal gefundene Antriebslösungen, etwa im Bereich der „mobilen“ Geräte, auf andere Maschinen der jeweiligen Produktfamilie oder sogar darüber hinaus übertragbar zu gestalten.

Ein Beispiel für den Entwicklungsprozess bei Umschlaggeräten der Kategorien „mobil“ und „überwiegend stationär“ bilden Hybridantriebslösungen, also die Kombination zweier Antriebstechnologien. Diese hat TPS bereits für Portalstapler und -hubwagen sowie für Hafenmobilkrane entwickelt und mehrfach eingesetzt.

Dabei ging es ursprünglich nicht so sehr um den Einsatz von Dieselmotoren unterhalb einer 560-kW-Marke; vielmehr zielte die Nutzung einer zweiten Energietechnik vor allem auf Kraftstoffeinsparungen ab. Diese liegen abhängig von Einsatz- und Betriebsbedingungen bei Hafenmobilkranen und Portalstaplern aktuell bei um die 20 %. Als zweite Energietechnik setzt TPS elektrische Kurzzeitenergiespeicher – sogenannte Ultracaps – ein, in denen die aus den Senk- und Bremsbewegungen der Umschlaggeräte zurückgewonnene Energie gespeichert wird. Der in den Ultracaps gespeicherte Strom wird bei Bedarf ins bordseitige Stromnetz eingespeist, wo er dann allen elektrischen Verbrauchern zur Verfügung steht. Dabei gilt: Je größer die Anzahl beziehungsweise Gesamtspeicherkapazität der eingesetzten Ultracaps, desto geringer kann die Leistung des verwendeten Dieselmotors (Downsizing) sein.

Verschiedene Lösungen möglich

Die erforderliche Mindestmotorleistung wird dann nicht mehr durch die auftretende Spitzenleistung, sondern durch die deutlich geringere durchschnittliche Leistungsanforderung bestimmt.

Die andere Möglichkeit, mit kleineren Leistungen in Umschlaggeräten zu arbeiten, sieht vor, dass ein zuvor verwendeter großer Motor durch zwei kleinere Motoren ersetzt wird (Doppelmotorlösung). Gerade vor dem Hintergrund, dass die Leistungsanforderung der Verbraucher elektrischer Energie im Gerät selbst überwiegend nicht am Limit ist, kann diese Alternative, bei der der zweite Motor nur bei Abruf von Spitzenleistung in Aktion tritt, durchaus sinnvoll sein.

Für Umschlaggeräte der Kategorie „mobil“ – wie AGV, Reach Stacker oder Portalstapler –, die lange Fahrwege zurücklegen oder an wechselnden Einsatzorten arbeiten, bieten sich auch durch Liquefied Natural Gas (LNG) oder Compressed Natural Gas (CNG) betriebene Gasmotoren an. Wegen der besseren Volumenverdichtung und der daraus resultierenden höheren (volumetrischen) Energiedichte setzt TPS in erster Linie auf LNG-betriebene Gasmotoren. Die Vorteile von LNG: Die günstige Kohlenwasserstoffbilanz führt zu rund 20 % weniger Kohlenstoffdioxid-Emissionen. Wie beim Einsatz von Dieselmotoren sind auch bei Antriebslösungen auf Basis von Gasmotoren Hybridantriebe mit Energierückgewinnungssystemen realisierbar. Für stationäre Geräte mit klar definierten Arbeitspositionen und kurzen Fahrwegen, wie etwa Hafenmobilkrane von TPS, bietet sich die kaiseitige Fremdstromeinspeisung an. Hierbei kann auf Dieselmotoren ganz verzichtet werden, da die Geräte mit elektrischen Hauptantrieben ausgerüstet sind und eine Änderung des Energieübertragungsmediums entfällt.

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Alternativer fossiler Antrieb und externe Stromquellen

Antriebslösungen für Hafenmobilkrane, bei denen die Energieversorgung ausschließlich extern (Fremdstrom) erfolgt, sind Häfen mit entsprechender Infrastruktur vorbehalten. Betreiber profitieren von Zero-Emissionen; zudem lässt sich überschüssige Energie vielfach auch phasengleich (Leistungsfaktor cos phi 1,0) ins Stromnetz zurückspeisen. Andere Lösungen sehen vor, den Kran zumindest überwiegend mit Fremdstrom zu betreiben und ihn zum Verfahren zwischen den Einspeisestellen oder zum Betrieb bei Ausfall der externen Stromquelle mit einem kleineren Dieselmotor auszurüsten. Auch der temporäre Einsatz eines Diesel-
aggregats im Bedarfsfall ist eine mögliche Variante.

Die Dynamik in der Hafenwirtschaft ist ungebrochen. Die Innovationskraft eines Anbieters von Umschlaggerät zeigt sich beispielhaft an der steten Weiterentwicklung automatisierter, halbautomatisierter sowie „grüner“, also idealerweise vollelektrischer Antriebstechnologien. Letztere haben das Ziel, die Umwelt nachhaltig von Schadstoff-
emissionen zu entlasten. Dennoch werden Dieselmaschinen auch zukünftig eine wesentliche Rolle in den Häfen dieser Welt spielen. Die Weiterentwicklung der Dieseltechnologie mit Blick auf Emissionsreduzierungen wird aber immer eine Herausforderung bleiben. Ziel von TPS als Anbieter von Hafenumschlaggeräten, der überwiegend auf elektrische Antriebssysteme setzt, ist es deshalb, Dieselaggregate mit möglichst geringer Leistung einzusetzen und sich alternativ beziehungsweise ergänzend dazu der vorgestellten Technologien einschließlich innovativer Stromspeichermedien sowie externer Energie zu bedienen. ■

* Jutta Klein-Wiele ist Product Manager Mobile Harbour Cranes bei Terex Port Solutions in 40597 Düsseldorf, Tel. (02 11) 71 02 35 27, jutta.klein- wiele@terex.com

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