In den Niederlanden kommt den Bodenkonditionen und der Geologie bei der Erstellung von Betonfundamenten eine wichtige Rolle zu, da der Boden – wie Torf, Lehm und Sand – in vielen Teilen des Landes wenig tragfähig ist. Pfahlgründungen sind hier regelmäßig die eingesetzte Technik, da die Gründungspfähle das Gewicht eines Gebäudes auf tiefere, stabilere Schichten wie Sand oder Kies übertragen und so Setzungen und ungleichmäßige Absenkungen verhindern. Sie erhöhen die Tragfähigkeit des Fundaments und gewährleisten Stabilität, selbst bei Änderungen des Grundwasserspiegels, Bodensenkungen oder Erdbeben.Sowohl die unterschiedlichen Bodenarten, mit ihren jeweils verschiedenen Eigenschaften, als auch das stete Vorhandensein von Grundwasser erschweren den Bohrprozess, da gerade das Grundwasser die Stabilität der Bohrlöcher beeinträchtigt und die Verfüllung mit Beton komplizierter, dennoch aber lösbar macht.
Die Verhoef Funderingstechnieken BV aus Meerkerk ist Spezialist auf dem Gebiet der Erstellung von Bohrlöchern und ihrer Verfüllung. Ihre Anforderungen- u.a. die präzise aufeinander abgestimmte automatisierte Taktung von Bohrung und Verfüllung zu klar definierten Zeitpunkten und Bohrer- sowie Pumpenzuständen -waren es, die letztlich die beteiligten Projektpartner zusammengebracht haben. Die SCHWING GmbH, als führender Hersteller von Betonpumpen jeglicher Art, bietet neben herkömmlich angetriebenen Pumpen bereits seit vielen Jahren auch elektrisch angetriebene Stationärpumpen auf Raupen- oder konventionellem Fahrgestell in exzellenter Qualität an und war damit als Wunschpartner im Projekt der Niederländer gesetzt.
Besondere Anforderungen
Aufgrund strengerer Vorschriften wird in den Niederlanden immer häufiger der Einsatz von vollständig elektrisch betriebenen Baumaschinen in städtischen Gebieten gefordert, da aufgrund der hohen Bevölkerungsdichte und des begrenzten Platzes die Auswirkungen von Emissionen und Lärmbelästigungen direkt spürbar sind. In Verbindung mit den steigenden Umweltauflagen in urbanen Gebieten, die spezielle Maßnahmen zur Kontrolle und Vermeidung von Lärm, CO2-Ausstoß, Staub und Abwasser erforderlich machen, kamen die Projektbeteiligten zu dem Ergebnis, dass bei Pfahlgründungsarbeiten - im Gegensatz zur typischen Verwendung von Betonpumpen - relativ geringe Volumen über den Tag verteilt gefördert werden. Unter Verwendung dieselbetriebener Aggregate, übersteigen die Leerlaufzeiten pro Stunde die reinen Pumpzeiten um über 90%. Kurz: Für den Bedarf eines rund fünf Minuten dauernden Pumpvorgangs bedarf es keines dauerhaften Betriebs eines Dieselmotors. Dies stellt jedoch besondere Anforderungen. Das Pumpsystem muss sofort leistungsfähig starten können, und es muss so konstruiert sein, dass während des Druckhaltens des Betons das Wasser nicht aus dem Beton gepresst wird. Die Idee des Einsatzes einer Batterielösung war geboren.
Ein Motor – mehrere Funktionen
Aufgrund der kurzen Nutzungsdauer, hoher Spitzenbelastungen und großer Pausen war es entscheidend, das bestehende Antriebssystem neu zu entwickeln, ohne Kompromisse bei der Zuverlässigkeit und Qualität der Pumpe einzugehen. Die Spezialisten aus Herne führten nach umfangreichen Felduntersuchungen zum Tages-Energiebedarf aufgrund Ihrer umfangreichen Erfahrung die bewährte Technologie auf ein neues Level und entwickelten eine Stationärpumpe deren Elektromotor nicht nur zum Betrieb der Betonpumpe, sondern auch zum Antrieb des Raupenfahrwerks durch einfaches Umschalten des Hydraulikkreislaufs verwendet werden kann. Je nach Anforderung ermöglicht der luftgekühlte Elektromotor einen variablen Drehzahlbereich von 0 bis 2.200 Umin-1, was es dem Anwender ermöglicht, sowohl den Druck als auch die benötigte Fördermenge feinjustiert zu bestimmen. Durch die enge Kooperation und dem Know-How der Imotik-Engineering konnte hier durch die Integration spezieller Messeinrichtungen eine Automations-Lösung programmiert werden, die es ermöglicht, dass die Pfahlbohrmaschine selbstständig den für ihr jeweiliges Bohrloch erforderlichen Betonbedarf von der Crawlerpumpe abfordert. In Verbindung mit einer leistungsstarken NMC-Batterieund einem intelligenten Ladesystem sind so viele individuelle Pumpzyklen über einen sehr langen Zeitraum möglich. Dank einer entsprechenden Dimensionierung des Akkus kann durch das 700V-System eine hohe Leistung abgerufen werden, ohne die Batterie zu überfordern. Der zertifizierte Akku ist mit einer soliden und isolierten Zellstruktur ausgestattet, bei der das Wassersystem vom elektrischen Teil getrennt ist.
Connected Drilling & Pumping – der Ablauf:
Bedarfsgenaue Anforderung von Beton durch die Pfahlbohrmaschine
Martijn Tielemans, Geschäftsführer der Imotik Engineering beschreibt den Vorgang des vernetzt-automatisierten Bohr- und Pumpvorgangs wie folgt:
- „Nach dem Bohren des Gründungspfahls und dem Anbringen der Stahlbewehrung gibt das System des Gründungskrans der Betonpumpe ferngesteuert das Signal, Beton zu liefern. Diese Anforderung erfolgt in mehreren Stufen, wie in der Grafik dargestellt. Während des Befüllens und Ausbohrens des Gründungspfahls sorgt das System für einen ordnungsgemäßen Füllvorgang. Dank des vollelektrischen Antriebs der Betonpumpe arbeitet diese nur bei Bedarf. Ein Warmlaufen des Motors, eine Regeneration des Abgassystems oder ähnliche Vorgänge sind nicht erforderlich. Die maximale Leistung und das maximale Drehmoment stehen nahezu sofort zur Verfügung. Da die Betonpumpe intermittierend arbeitet, ist die Leistung des Betonpumpenelements und seines Antriebs entscheidend für die Mobilisierung von leicht angetrocknetem Beton, z.B. besonders an warmen Sommertagen.“
- Die durchschnittliche Schlauchlänge liegt bei etwa 75-100 Metern, die es bei der Dimensionierung der Pumpe zu berücksichtigen gilt. Darüber hinaus muss die Betonpumpe gewährleisten, den Beton auf eine Höhe von etwa 35 Metern zu fördern.
Die durchschnittliche Schlauchlänge liegt bei etwa 75-100 Metern, die es bei der Dimensionierung der Pumpe zu berücksichtigen gilt. Darüber hinaus muss die Betonpumpe gewährleisten, den Beton auf eine Höhe von etwa 35 Metern zu fördern.
Drahtlose Kommunikation und Dokumentation Die Betonpumpe übermittelt die gepumpte Betonmenge an die Pfahlgründungsmaschine
Während des Pumpvorgangs zeichnet die Betonpumpe die gepumpte Menge exakt auf. Dadurch wird nicht nur sichergestellt, dass der Gründungspfahl korrekt befüllt wird, sondern die durchgeführten Arbeiten werden digital belegt dokumentiert. Auch diese Kommunikation erfolgt drahtlos.
Geräuschloser Betrieb
Ein weiterer Vorzug der Herner batterie-elektrischen Betonpumpen: Sie sind deutlich leiser als ihre dieselbetriebenen Schwestern. Dies ist ein wesentlicher Vorteil in städtischen Gebieten, in denen auch der Lärmschutz eine wichtige Rolle spielt. Weniger Lärm bedeutet nicht nur weniger Störung für Anwohner und eine angenehmere Arbeitsumgebung auf der Baustelle, sondern erfüllt auch steigende Anforderungen des Gesetzgebers an die Arbeitssicherheit und den Gesundheitsschutz der Mitarbeitenden.
Intelligentes Temperaturmanagement
Umgebungen, in den denen der Einsatz von batteriebetriebenen Lösungen erfolgen sollte, liegen idealerweise in einem positiven Temperaturumfeld von rund 25 °C, da bei niedrigen Temperaturen sich die elektrochemischen Reaktionen innerhalb der Batterie verlangsamen, was zu einer geringeren Fähigkeit der Batterie, Energie zu speichern und abzugeben führt und sich in einer reduzierten Kapazität und Leistung äußert. Ladezyklen dauern länger, und durch temperaturbedingtes Ablagern des metallischen Lithiums an der Anode besteht die Gefahr des so genannten Lithium-Platings, welches die Batterie dauerhaft schädigen und die Sicherheit gefährden kann. Energieverluste, kürzere Entladezyklen, eine beschleunigte Alterung und dauerhafte Kapazitätsverluste wären die Folge.
Daher war es wichtig, Maßnahmen zur Minimierung der temperaturbedingten Auswirkungen zu treffen:
Durch die Integration eines leistungsstarken Heizsystems und mittels solider Isolierungen wurde ein effizientes Temperaturmanagement gleich beim Batteriedesign berücksichtigt, um die Batterie stets auf einer optimalen Betriebstemperatur zu halten. Spezielle Ladeprofile, gerade auch für kalte Bedingungen helfen, Lithium-Plating zu vermeiden und die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit der Batterie zu gewährleisten.
Die CP 2800 BE hält auch hohen Temperaturen stand: Eine leistungsstarke Kühl-Lösung gewährleistet auch einen Betrieb in Regionen mit Außentemperaturen bis zu 40° C! Auf diese große Bandbreite sind die Ingenieure aus Herne besonders stolz.
Das eigens von Imotik entwickelte Interface gibt Aufschluss über die wichtigsten Maschinen-Informationen
Sollte dennoch einmal ein Austausch der Batterie erforderlich sein, so ist dies durch die geschickte Positionierung im oberen Teil der Pumpe jederzeit ebenso möglich, wie auch die Ergänzung durch eine zweite Batterie, welche die Ausgangskapazität und damit die Laufzeit der Pumpe verdoppelt.
Geladen wird die Batterie z.B. nach Abschluss der Tagesarbeiten mittels 63 A Anschluss; ein gleichzeitiger Lade- und Bezugsbetrieb ist durchaus möglich.
Rundum zufrieden
Nach der Fertigstellung der neuen Maschine wurde diese an der Universität Dortmund umfassend auf elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) getestet. Anschließend absolvierte die Maschine zahlreiche interne Teststunden, um die Zuverlässigkeit und Abstimmung zu optimieren. So zeigen sich die Projektbeteiligten nach einigen Wochen Betrieb mit den Ergebnissen der gemeinsamen Entwicklung rundum zufrieden. Wenngleich auch die langfristige Erhebung und Auswertung von Kennzahlen noch keinen Rückschluss auf die langfristige Effizienz zulassen, so zeigt sich im tagesaktuellen Betrieb jedoch bereits eine große Begeisterung auf Seiten der Anwenderaufgrund ihrer einfachen Handhabung, der fehlerfreien Vernetzung und Automation und digitalen Dokumentation sowie der innovativen, zuverlässigen und umweltfreundlichen Batterielösung. Laut SCHWING hat die CP 2800 BE bereits Serienreife erlangt und kann in die Produktion großer Stückzahlen gehen. Eine entsprechende Nachfrage im Markt ist bereits vorhanden.