Nach wie vor dominiert der Dieselantrieb auf der Straße, auch wenn Elektromobilität im Transportgewerbe angekommen, aber noch ausbaufähig ist. 2023 wurden etwa in Deutschland insgesamt knapp 20 800 leichte Nutzfahrzeuge mit vollelektrischem Antrieb neu zugelassen – mit zunehmender Tendenz. Auch im Bergbau steht eine Umstellung auf Elektroantriebe an. Es gibt bereits Ansätze, den Dieselgenerator durch Akkus bei Mining-Trucks zu ersetzen. Welche Richtung hier Baumaschinenhersteller in Zukunft einschlagen, wurde auf der MINExpo diesen September in La s Vegas deutlich, wo Technologien für den Bergbau präsentiert wurden, die Kunden im Zuge der Energiewende unterstützen, ihre Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Es geht um nicht weniger, als beim Wettlauf um emissionsfreie und zugleich autonome Maschinen die Nase vorne zu haben.
Worauf sich Rohstoffbetriebe einstellen müssen, ist, Betriebskosten und Treibhausgasemissionen rapide zu senken und dabei ihre Produktionsziele einzuhalten. Mit Technologien, die dazu beitragen, war Branchenführer Caterpillar auf der Bergbaufachmesse angetreten und stellte seine Lösungen vor. Alternative Antriebssysteme standen in Las Vegas daher hoch im Kurs. Neuer Vertreter in der Reihe batterieelektrischer Muldenkipper war ein Cat 793 XE. Er ist das Ergebnis des Early-Learner-Programms, an dem Bergbauunternehmen wie BHP, Freeport-McMoRan, Newmont Corporation, Rio Tinto und Teck Resources Limited seit 2021 teilnehmen und das Caterpillar ins Leben rief, um die Entwicklung batteriebetriebener Elektro-Baumaschinen zu beschleunigen. Es zielt auf eine engere Zusammenarbeit bei der Entwicklung neuer Technologie ab, um die Auswirkungen der Energiewende auf Prozesse, Infrastruktur und Technologie in der Rohstoffgewinnung besser zu verstehen. Umgekehrt haben sich die Teilnehmer verpflichtet, die Treibhausgasemissionen in ihren Betrieben zu reduzieren. Der erste Prototyp des Cat 793 wurde im November 2022 präsentiert. Sieben Maschinen haben bislang auf dem Caterpillar Testgelände, dem Tucson Proving Ground, in Green Valley, Arizona, die Erprobungsphase abgeschlossen. Weitere Tests stehen noch bevor. Brian Weller, Vizepräsident von Caterpillar, erklärt den neuen Entwicklungsprozess: „In weniger als zwei Jahren sind wir vom Nachrüsten eines bestehenden Geräts auf unserem Testgelände zur Entwicklung einer robusten Lösung übergegangen, die bereit für die Validierung an den Standorten unserer Kunden ist. Dies war keine kleine Veränderung. Fast alles im Antriebsstrang wurde verbessert, während bewährte Komponenten unseres Cat 793-Modells weiterhin genutzt werden. Mit diesen Änderungen haben wir noch viel mit unseren Kunden in realen Anwendungen zu lernen.“ Inzwischen ist die nächste Generation der batterieelektrischen Großmuldenkipper an Standorten von Kunden für Tests eingetroffen. Denn laut Denise Johnson, Präsidentin der Caterpillar Group, sollen die batterieelektrischen Muldenkipper aus dem Early-Learner-Programm absichtlich früher als bisher im traditionellen Produktentwicklungsprozess an Kundenstandorten getestet werden. „Die Early-Learner-Maschinen werden verwendet, um Anforderungen zu verfeinern, Prozesse zu entwickeln und sowohl die Maschinen- als auch die Technologiedesigns zu validieren. Das Testen dieser Muldenkipper an den Standorten unserer Kunden wird uns wertvolles Feedback für unser Batterie-Lkw-Programm liefern“, meint sie. Eine der Kernfragen, um die es geht, lautet: Kann die Energie beim Bergabfahren von Muldenkippern genutzt werden, um damit die Batterie wieder aufzuladen – so wie es bei Elektro-Autos bei der Rekuperation der Fall ist, um Energie rückzugewinnen, wenn etwa beim Bergabfahren oder beim Bremsen erzeugte Energie gespeichert und wieder in die Batterie gespeist wird?
Die dabei erzielten Erfahrungen fließen außerdem in die Entwicklung einer modularen Plattform ein und werden auch im Hinblick auf andere Muldenkipper-Baureihen wie den Modellen Cat 794, 796 und 798, ob mit dieselelektrischer und batterieelektrischer Antriebstechnik, berücksichtigt. Denn Nachhaltigkeit bezieht sich nicht nur allein darauf, Baumaschinen einzusetzen, die möglichst wenig Emissionen verursachen, sondern es geht auch um Kriterien wie Langlebigkeit, bezogen auf den Lebenszyklus einer Maschine sowie darüber hinaus. Weichen dafür müssen bereits beim Produktdesign und bei der Entwicklung sowie Konstruktion gestellt werden, um den Wert einer Maschine über ihre gesamte Lebensdauer zu erhöhen. Es geht um Nachrüstsätze, Upgrades sowie vollständige Maschinenüberholungen, um bestehende Technik an aktuelle Technologien anzupassen und damit die Gesamtkosten des Besitzes zu senken. Für große Muldenkipper wie den Cat 793 plant Caterpillar darum eine modulare Plattform für einen dieselmechanischen, dieselelektrischen und batterieelektrischen Antrieb, um entsprechend flexibel zu sein. Laut Denise Johnson ist es „egal, welchen Antriebsstrang Kunden wünschen. Das Entwerfen und Unterstützen von Maschinenplattformen, die Gemeinsamkeit, Modularität und ein nahtloses Erlebnis über unsere Produktlinien hinweg fördern, ist für uns nichts Neues. Unsere großen Bergbau-Trucks sind darauf ausgelegt, sich mit den Technologien von heute und der Zukunft zu integrieren.“
Aber auch den Vorgang des Ladens stellte Caterpillar auf den Prüfstand und entwickelte eine neue Lösung, die das Laden von batterieelektrischen Muldenkippern unterstützt. Es trägt den Namen Cat Automated Energy Transfer System (Cat AETS) und nutzt Robotik, Bildverarbeitung und Steuerungen, um die Verbindung zwischen einer batterieelektrischen Maschine und einem stationären Ladegerät mit einer Leistung von zwei bis sechs Megawatt vollständig zu automatisieren. Das System ersetzt den manuellen Prozess, bei dem das Personal auf der Baustelle das Ladegerät an eine batterieelektrische Maschine anschließt und wieder trennt. Damit muss sich kein Mitarbeiter direkt im Ladebereich aufhalten. Der Prozess des Aufladens wird daher komplett automatisiert. „Wenn es darum geht, Produktionsziele zu erreichen, zählt jede Sekunde. Durch solche Technologiefortschritte und durch Automatisierung werden Prozesse verbessert, die Zuverlässigkeit der Maschinen steigt und letztendlich werden die Ausfallzeiten reduziert“, fasst Greg Hepler, Senior Vice President von Caterpillar, die Vorteile des Ladens batterieelektrischer Muldenkipper zusammen.
Das Management von Energie und die Übertragung von Energie stellt für die Branche eine der größten Herausforderungen im Zuge der Energiewende dar. Dazu Greg Hepler: „Jeder Bergbaustandort benötigt einen eigenen Plan zur Erreichung seiner Nachhaltigkeitsziele, weshalb wir eine Reihe integrierter Lösungen anbieten, die Energie umzuwandeln, zu übertragen und zu speichern, einschließlich Maschinen mit Antriebsstrang-Flexibilität, Autonomie- und Flottenmanagementsystemen.“ Doch wie können Technologien für die Energiewende entwickelt und mit den unterschiedlichen Anforderungen sowie mit den individuellen Abbaubedingungen in Einklang gebracht werden? Die Antwort von Caterpillar hierfür lautet: DET – die Kurzform steht für ein Dynamic Energy Transfer System, das Energie sowohl an dieselelektrische als auch an batterieelektrische Großmuldenkipper übertragen kann, während diese Transport- und Ladeaufgaben ausführen. „Wir glauben, dass Cat DET einen technologischen Sprung für die Bergbauindustrie darstellt. Unser Team hat dieses System entwickelt, um Bergleuten, die ihre Betriebskosten und Treibhausgasemissionen senken möchten, Vorteile zu bieten und gleichzeitig Flexibilität für die Zukunft zu schaffen“, ist Denise Johnson überzeugt. Das System DET stellt eine Weiterentwicklung gegenüber dem traditionellen Trolley Assist System dar, das Oberleitungen nutzt, um darüber dieselelektrische Muldenkipper mit Energie zu versorgen, ohne dabei die Batterien aufzuladen, während diese auf bestimmten Streckenabschnitten fahren. Diese Strecken sind oft festgelegt und weniger flexibel. DET greift auf ein elektrifiziertes Schienensystem zurück, das an die Gegebenheiten der Abbaubedingungen samt Fahrwegen angepasst werden kann. Wesentliches Element ist ein Arm, der seitlich links oder rechts an dem Skw angebracht wird. Er dient als Verbindungselement zwischen der elektrifizierten Schiene und dem Fahrzeug und ist mit verschiedenen Maschinenmodellen kompatibel. Darüber soll letztlich die elektrische Energie direkt auf den Antriebsstrang übertragen werden, sodass der Muldenkipper während des Einsatzes mit Energie versorgt wird. Der Arm ermöglicht die nahtlose Integration des DET-Systems mit autonomen Transportsystemen wie Cat MineStar Command for Hauling, das die Voraussetzungen für einen autonomen Betrieb von Skw-Flotten schafft und so mit der Elektrifizierung der Bergbaumaschinen kombiniert wird. Schließlich sind Produktivität und Energiemanagement eng miteinander verknüpft, weil sie die Gesamtkosten pro Tonne bewegten Materials beeinflussen.
Nachgerüstet werden kann mit der autonomen Technologie inzwischen eine ganze Palette an Cat Muldenkippern in der Größenklasse von 190 bis 370 Tonnen einschließlich der Modelle Cat 789D, 793D, 793F und 797F sowie der elektrischen Antriebsmodelle 794 AC und 798 AC. Außerdem kann der Cat Wasserwagen 789D damit ausgestattet werden. Bald wird Caterpillar den autonomen Transport auf den Cat Skw 785 mit 139 Tonnen Einsatzgewicht ausweiten.
Bislang führten kontinuierliche Investitionen, Innovationen sowie jahrzehntelange Entwicklung im autonomen Transport dazu, dass in den letzten elf Jahren mehr als 8,6 Milliarden Tonnen Material mithilfe von Cat Skw autonom bewegt wurden. Zu den weltweit damit abgebauten Rohstoffen gehören Eisenerz, Kupfer, Gold, Kohle, Ölsande, Lithium und Vulkangesteine. Die Skw sind extrem herausfordernden Einsatzbedingungen ausgesetzt: ob plus 40 Grad Celsius und dem roten Staub in Westaustralien oder minus 40 Grad Celsius, wenn kanadische Ölsande befördert werden. Die Skw arbeiten auch in den Kupferminen Südamerikas, die sich in den Anden auf knapp 4 000 Höhenmetern befinden. „Wir entwickeln Software speziell für die Anwendung, damit die Skw effizient durch die achseltiefen Spurrillen der Ölsande fahren oder die Steigungen in den tiefen Minen bewältigen können“, kommentiert Sean McGinnis, Vice President und General Manager für Technologie und globalen Vertriebssupport bei Caterpillar. „Unsere Ingenieure stehen in engem Kontakt mit den Kunden und verbessern kontinuierlich die Software-Funktionen, was in der Welt der Technologie entscheidend ist, um die neuesten Fortschritte in Echtzeit zu haben.“
Die Intention, die mit dem autonomen System verfolgt wird: Die Transporteffizienz durch weniger Leerlaufzeiten, Staus beim Beladen oder unnötige Leerfahrten zu steigern und dabei mehr Tonnen mit weniger Maschinen zu bewegen. Deswegen wird laut Caterpillar weiter daran gearbeitet, neue MineStar-Funktionen in batteriebetriebene Technologien zu integrieren, um Ladelösungen zu unterstützen. Autonome Baumaschinen, so die Annahme, werden in der Zukunft eine entscheidende Rolle bei der Energiewende spielen, da Systeme wie MineStar Command for Hauling und die Daten aus dem Flottenmanagement für das Management der Batterienutzung bei batterieelektrischen Skw genutzt werden, um Kunden beim Einsatz von Energie zu unterstützen. „Es ist entscheidend, dass ein System alle Energieverbräuche verwaltet, damit wir in Zukunft nicht nur Erz, sondern auch Energie managen“, fügt Sean McGinnis hinzu. Schließlich müssen Kunden Batteriekapazität, Ladevolumen und Produktionsziele engmaschig überwachen, um die niedrigsten Betriebskosten zu erreichen. Gleichzeitig führt die autonome Technologie dazu, die Sicherheit im Einsatz mit Baumaschinen zu verbessern und zu erhöhen, indem Fahrer aus potenziell gefährlichen Situationen herausgehalten werden. Autonome Skw können ihre Umgebung und Hindernisse erkennen und darauf reagieren, Abstände einhalten, Geschwindigkeiten anpassen sowie sicher mit bemannten Geräten und Fahrzeugen interagieren, indem sie auf Onboard-Systeme und die Naherkennung zurückgreifen.
„Die Bergbaustelle der Zukunft wird komplexer sein als je zuvor, da die Kunden versuchen, die gleichen Produktionsziele zu erreichen und gleichzeitig neue Herausforderungen wie das Energiemanagement bewältigen müssen. Wir glauben, dass die Verbindung zwischen Automatisierung und Elektrifizierung das Potenzial für ein vollständiges Ökosystem freisetzen wird, das Technologien integriert, um die Anforderungen von heute und morgen zu erfüllen oder zu übertreffen“, ist Denise Johnson überzeugt. Inzwischen bietet MineStar Solutions neben dem autonomen Transport eine Reihe von weiteren Anwendungen, um den Betrieb von Baumaschinen zu verbessern. Dazu gehört etwa die Fernsteuerung Cat Command. Außerdem expandiert Caterpillar weiter und hat nicht nur gewaltige Minen, sondern auch den Rohstoffabbau in Steinbrüchen im Fokus. Abzulesen ist das an der Zusammenarbeit des Unternehmens mit Luck Stone, um die autonome Skw-Flotte in der Hundert-Tonnen-Klasse für die Modellreihe Cat 777 zu erweitern. „Anstatt mehr als hundert Baumaschinen in einer Mine zu automatisieren, die rund um die Uhr arbeiten, automatisieren wir vier Skw in einem Steinbruch, die zehn Stunden am Tag arbeiten. Es geht also nicht nur um die Technologie“, sagt Denise Johnson, „sondern es geht darum, wie wir unsere Technologie und Prozesse transformieren, damit auch kleinere Betriebe damit für Kunden weiter rentabel sind und sie sicher arbeiten können. Dies kann eine Grundlage dafür sein, wie wir als Unternehmen in anderen Branchen in der Autonomie voranschreiten.“
November 2024