Vågkraftsteknik ska ta tunga lyft till nya höjder

2019-10-28 06:00  

Det har varit svårt att ersätta hydraulik i arbetsmaskiner med el-drivna system. Men spelplanen förändras när diesel slopas för batteridrift. Svenska Cascade Drives menar att de har löst problemet.

Allt fler tillverkare av arbetsmaskiner har nu börjat signalera att de kommer att sluta utveckla förbränningsmotorn till förmån för eldrift. Kalmar Global Solutions och Volvo Construction Equipment är två svenska exempel på det.

Eftersom de flesta arbetsmaskiner drivs av diesel har verkningsgraden i till exempel lyftanordningen inte ansetts kritisk – driftstimmarna men får ut från en bränsletank har varit fullt tillräckliga ändå.

För arbetsmaskiner brukar standardlösningen för att hantera godset vara hydraulik. Rörelsen uppnås genom att hydraulolja pumpas in eller ut ur en cylinder.

Hydraulik är flexibelt och starkt

Fördelen med hydrauliska system är att de är flexibla, starka och mycket bra på att ta upp chocklaster, till exempel när en grävmaskin råkar stöta emot berg. De är även robusta och motstår damm, jord och snö bra. Nackdelen är att de inte är särskilt energieffektiva (kring 60–70 procent), kräver en del underhåll samt är relativt långsamma.

Men eftersom batterier har mycket lägre energidensitet jämfört med diesel så blir det nu prioriterat att optimera även funktioner som tidigare har förbisetts i någon mening – till exempel lyftanordningar.

Lyftet kan även genomföras med en så kallad elektromekanisk linjäraktuator. Rörelsen skapas genom att en elmotor får ett (eller flera) kugghjul att rotera vilket i sin tur driver en kuggstång i ena eller andra riktningen.

Verkningsgraden kan höjas till 90 procent

En fördel med tekniken när den används på batterimaskiner är att verkningsgraden kan höjas till omkring 90 procent eftersom lägesenergin kan regenereras när lasten sänks, på samma sätt som en elbil kan ladda batteriet vid inbromsning. Nackdelen har hittills varit att de elektromekaniska aktuatorerna varit dåliga på att motstå de chocklaster som tung godshantering medför. Lager och kuggar sluts ut för snabbt.

Stockholmsbaserade Cascade Drives menar att de har löst problemet med chocklaster. Hemligheten ligger ett "elastiskt, deformerbart element som möjliggör lastfördelning", som det beskrivs i patentet.

– Elementet skapar en eftergivlighet i pinjongen (kugghjulet, reds. anm.) vilket gör att vår lösning kan hantera chocklaster. Det är annars det som har hindrat elektromekaniska aktuatorer från att användas i tyngre applikationer, säger Kristian Floresjö, vd för Cascade Drives, när vi träffas på kontoret på Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm.

Stig Lundbäck ligger bakom tekniken

Företaget grundades 2014 men det dröjde till 2017 innan den kommersiella verksamheten drog igång. Idén kommer ursprungligen från den numer framlidne läkaren och innovatören Stig Lundbäck som ägnade en stor del av sitt liv åt att hitta tekniska lösningar som efterliknar hjärtats pump- och kontrollfunktioner. Tekniken används även av vågkraftbolaget Corpower för att överföra vågornas rörelse till en generator.

Cascade Drive fokuserar i stället på primärt tunga applikationer inom industri och godshantering.

Kristian Floresjö tar en tomcontainerhanterare som exempel när han ska förklara fördelarna med en elektromekanisk aktuator. Fordonet har som enda uppgift att stapla tomma containrar på varandra upp till 20 meter högt i hamnar och terminaler. Trots att containrarna är tomma handlar det om 12–13 ton som ska lyftas varje gång, när mast, ok och container summeras.

– Ett batterielektriskt fordon som genomför 100 000 lyft med hjälp av vår lösning skulle spara 15 800 liter diesel, motsvarande 59 procent av energin, och 781 timmar, motsvarande 42 procent av tiden som det skulle ta för ett dieseldrivet fordon med hydraulik, hävdar Kristian Floresjö.

Långa drag ger bäst utbyte

Kuggstången som behövs för att uppfylla kravet på lyfthöjd blir i detta fall nio meter lång. Pinjongen och elmotorn sitter monterad i mastens topp vilket innebär att kuggstången höjs genom drag i stället för tryck.

– Det är just den här typen av applikationer med långa drag som vi letar efter, eftersom effekten från regenereringen då blir som störst, säger han.

Exemplet är ännu så länge bara teoretiskt beräknat men den potentiella energibesparingen har verifierats genom ett pilotprojekt hos en icke namngiven tillverkare av gaffeltruckar. En batterielektrisk truck med 16 tons lyftkapacitet har utrustats med Cascade Drivs lösning.

Flera pilotprojekt med kunder

Företaget fokuserar just nu på att verifiera tekniken genom pilotprojekt med i de flesta fall ännu ej namngivna kunder. Förutom gaffeltrucken kan nämnas:

  • Elektromekanisk styraktuator på 42 kilonewton för ett batterielektriskt anläggningsfordon.
  • Elektromekanisk styraktuator för automatiserade terminaltruckar (så kallad Automated Guided Vehicle, AGV). Fordonen väger fullastade 100 ton.
  • Elektromekaniska aktuatorer som ersättare till hydrauliska cylindrar i elektriska grävmaskiner i primärt den mindre storleksklassen, det vill säga 3–6 ton.

Vilket det "elastiskt deformerbara elementet" är beror på användningsområde.

– I vissa fall är vändglappet kritiskt, då behövs ett hårdare material. I andra fall är stöttålighet viktigare och då används ett mjukare material, säger Kristian Floresjö.

Han påpekar att elementet måste sitta på samma axel som momentet överförs från, det vill säga samma som kugghjulet sitter på.

– Det här är ingen raketvetenskap direkt. Man kan undra varför ingen har gjort det tidigare. Men tajmingen kunde inte vara bättre. För tio år sedan hade det inte varit aktuellt, säger han.

Cascade Drives avser inte starta någon egen tillverkning, utan låter samarbetspartners sköta den.

Kostnaden är fortfarande ungefär dubbelt upp mot en hydraulisk lösning. För gaffeltrucken innebär det i runda slängar 300 000 för de båda lyftaktuatorerna. Det ska senare tjänas in genom en lägre ägandekostnad i form a minskat batteribehov och underhåll samt ökad produktivitet.

– Det gäller att hitta rätt prisnivå men vi är inte oroliga för att skapa en för dyr lösning, säger Kristian Floresjö.

Bosch Rexroth tror fortsatt på hydraulik

Bosch Rexroth är en av de största tillverkarna av hydraulikkomponenter och därmed en av de spelare som Cascade Drives hoppas ta marknadsandelar från. Företaget säljer även elektromekaniska aktuatorer men är mest känt för sin hydraulik.

Jens Lindfelt, chef för affärsområdet mobila applikationer på Bosch Rexroth, konstaterar att batteridriften ställer höga krav även på hydrauliksystemets verkningsgrad – och att utvecklingen fortgår. De hydraulpumpar som just nu utvecklas kommer att vara reglerade via elektronik och programvara för att optimera verkningsgraden, till exempel. Komponenterna förenklas och anpassas för bland annat hybridsystem bestående av el och hydraulik.

– Denna utveckling gör att hydraulik kommer vara en fortsatt intressant teknik även i elektriska maskiner, säger han.

Han lyfter särskilt fram hydraulikens robusthet som en fördel jämfört med elektromekaniska aktuatorer. En cylinder är enkel att byta ut vid behov. Vikt och volym per levererad kilonewton är också lägre.

– Med det sagt tycker jag att ett elektromekaniskt system är klart intressant om man lyckas lösa tekniken med att hantera yttre miljö, chocklaster samt lyckas hålla kostnaden på en nivå så att verkningsgradsvinsten betalar sig, säger Jens Lindfelt.

Volvo CE har bytt ut all hydraulik i prototyp

Volvo Construction Equipment bytte ut hela hydrauliksystemet mot elektromekaniska aktuatorer i den eldrivna grävmaskinsprototypen EX2 (aktuatorerna levererades inte av Cascade Drives). Resultatet blev en tiofaldig förbättring av effektiviteten jämfört med en dieseldriven maskin med hydraulik, tack vare att lägesenergin kunde återvinnas. Och hittills har systemet klarat av påfrestningarna.

– Maskinen lever fortfarande! En av mina rädslor var annars att aktuatorerna inte skulle klara påfrestningarna, men det gjorde de, säger Ahcène Nedjimi, Volvo CE:s expert på elektromobilitet.

Johan Kristensson

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt