Interview: Alternative Antriebe für Bagger & Co. auf der Baustelle

Q: Alternativer Antrieb als Standard?

Huber: An dieser Stelle ist eine differenzierte Betrachtung erforderlich, um eine passende Antwort geben zu können. Neben einer starken Ausdifferenzierung zwischen unterschiedlichen Märkten und Regionen – im skandinavischen Markt wird diese Entwicklung schneller vonstattengehen als im südamerikanischen – ist auch eine Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Geräteklassen erforderlich. Eine valide Aussage kann lediglich für einzelne Baumaschinentypen in spezifischen Regionen getroffen werden. Mein Versuch einer Verallgemeinerung für den europäischen Markt als Ganzes (wobei auch dieser eine hohe Ausdifferenzierung aufweist) sieht wie folgt aus: Innerhalb der Kategorie kleiner Baugeräte, auch als „Light Equipment" oder alles unter eineinhalb Tonnen bezeichnet, kann davon ausgegangen werden, dass der Punkt „alternativer Antrieb als Standard" in absehbarer Zeit erreicht wird. Es ist zu erwarten, dass batterieelektrische Geräte innerhalb der nächsten fünf bis zehn Jahre den Standard in dieser Klasse darstellen werden. Die Motivation, alternative Antriebe zu etablieren, ist weniger von der Reduktion globaler CO 2 -Emissionen als von der Reduktion lokaler Lärm- und Abgasbelastungen sowie dem verbesserten Maschinenhandling geprägt. Für die Klasse bis zehn Tonnen ist eine etwas längere Trajektorie zu erwarten, dennoch ist davon auszugehen, dass auch in diesem Segment in absehbarer Zeit zunehmend batterieelektrische Angebote verfügbar sein werden. Die Frage, zu welchem Zeitpunkt genau diese Geräte den Standard darstellen werden, ist zum einen eine definitorische Frage und zum anderen von den politischen Rahmenbedingungen abhängig. Für die Maschinenklasse mit einem hohen Energieverbrauch und einem Gewicht von über zehn Tonnen wird der klassische Verbrennungsmotor, gegebenenfalls unter Verwendung synthetischer Kraftstoffe oder in hybriden Antriebskonzepten, noch für einen längeren Zeitraum eine wichtige Rolle spielen.

Baumaschinen

Wann lösen alternative Antriebe den Verbrenner ab?

Jan Torben Budde

15.01.2025, 06:30 Uhr

KIEL/MÜNCHEN

Geht es um kleine Baumaschinen, ist der Umstieg auf alternative Antriebe in vollem Gange. Was aber größere Bagger & Co. betrifft, tut sich die Branche noch schwer. Adrian Huber von der Technischen Universität München spricht im Interview mit B_I MEDIEN über Wirtschaftlichkeit, Anreize für Unternehmen, staatliche Förderung und den Ausbau der Ladeinfrastruktur.

Welche Antriebsformen setzen sich in Zukunft bei den Baumaschinen durch? | Foto: AdobeStock

Wie schätzen Sie die aktuelle Entwicklung hin zu alternativen Antrieben in der Baubranche ein?

Adrian Huber: In den vergangenen Jahren wurden beachtliche Erfolge hinsichtlich der Entwicklung emissionsfrei angetriebener Baumaschinen verzeichnet. Hier ist sowohl die schrittweise Erweiterung des angebotenen Maschinen-Portfolios durch die Hersteller als auch die Adaption dieser Maschinen durch die Bauanwender erwähnenswert. Zuletzt ist jedoch eine Verschiebung der Marktlage in Richtung Wirtschaftlichkeit zu beobachten. Besonders Baumaschinen mit alternativen Antrieben, deren Anschaffungskosten in der Regel deutlich höher sind als bei konventionellen Maschinen, bekommen diesen Druck zu spüren. Obgleich die Bereitschaft des Marktes für alternative Antriebe höher ist als noch vor einigen Jahren, gerade aufgrund des gestiegenen Know-hows der Betriebe im Umgang mit beispielsweise batterieelektrisch angetriebenen Baumaschinen, so ist dennoch eine verstärkte Nachfrage nach ökonomisch tragfähigen Lösungen zu verzeichnen.

Sehen Sie einen Umbruch oder eher einen schrittweisen Übergang?

Huber: Es lässt sich feststellen, dass der Übergang zu alternativ angetriebenen Baumaschinen eher in einem schrittweisen Prozess erfolgt, anstatt sich in Form eines radikalen Paradigmenwechsels zu manifestieren. Dies ist unter anderem auf die langen Investitionszyklen im Baugerätebereich sowie das große Bedürfnis der Anwender nach Zuverlässigkeit und Prozesssicherheit zurückzuführen. Aufgrund der nur allmählichen Steigerung der Konkurrenzfähigkeit alternativ angetriebener Baumaschinen ist davon auszugehen, dass deren weitere Adaption ebenfalls in Etappen erfolgen wird. Ein Paradigmenwechsel könnte jedoch dann stattfinden, wenn politischer Druck und Regulatorik zunehmen und Emissionsanforderungen an den Baubetrieb schärfer werden.

Hohe Investitionskosten

Wo hakt es denn noch bei der Umstellung auf alternative Antriebe in der Baubranche, sowohl technisch als auch wirtschaftlich?

Huber: Unter Berücksichtigung technischer Aspekte lässt sich feststellen, dass eine Vielzahl alternativ angetriebener Baumaschinen bereits ein hohes technologisches Reifestadium erreicht hat. Technisch gesehen stehen sie konventionell angetriebenen Modellen – vorausgesetzt, diese sind vergleichbar – hinsichtlich deren Prozessleistung in nichts nach. Die gegenwärtig wohl einschneidendste Herausforderung für alternativ angetriebene Baumaschinen besteht in deren Wirtschaftlichkeit. Die Höhe der Investitionskosten ist derart hoch, dass selbst unter Verwendung einer „Total Cost of Ownership“-Berechnung, welche auch geringere Aufwendungen für Wartung und Energie mit einbezieht, die Anschaffung meist nicht wirtschaftlich ist. Darüber hinaus ergeben sich Schwierigkeiten, die aus bauspezifischen Gegebenheiten resultieren. Dazu zählen beispielsweise eine oft unzureichende Ladeinfrastruktur vor Ort oder eine unzureichende Schulung des Personals im Umgang und in der Wartung von elektrischen Baumaschinen.

Adrian Huber, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Universität München. | Foto: Privat

Welche Rolle spielen Elektro-Antriebe für die Zukunft der Baumaschinen?

Huber: In erster Linie sind sie im Segment kleinerer Baugeräte von essenzieller Bedeutung. In der Klasse bis etwa zehn Tonnen stellen batterieelektrische Antriebe auf absehbare Zeit die wirtschaftlichste und effizienteste Möglichkeit dar, um Baumaschinen emissionsfrei zu betreiben. In Abhängigkeit von der lokal verfügbaren Infrastruktur sowie weiteren prozessualen Parametern, wie beispielsweise den typischen Bewegungsmustern und Fahrstrecken einer Maschine, können kabelgebundene elektrische Antriebe sinnvoll sein. Diesbezüglich kann auf Seilbagger verwiesen werden, welche seit jeher überwiegend kabelgebunden betrieben werden und vor allem anhand ihrer Grableistung gemessen werden. Somit lässt sich festhalten, dass eine Elektrifizierung und ein hohes Leistungsvermögen keinen Widerspruch darstellen.

Kabelelektrische Antriebe

Welche Herausforderungen sehen Sie besonders bei großen und schweren Maschinen?

Huber: In der derzeitigen Situation kann der Betrieb von großen, schweren Maschinen mit hohen Emissionswerten lediglich mittels kabelelektrischer Antriebe oder unter Zuhilfenahme synthetischer Kraftstoffe sinnvoll umgesetzt werden, um deren Emissionen zu reduzieren. Im ersten Fall ist der Wirkungsgrad deutlich höher und die Kosten geringer, jedoch ist dies aufgrund hoher Leistungsbedarfe der Maschinen nur in seltenen Fällen mit der vorhandenen Infrastruktur vor Ort vereinbar. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass die Arbeitsaufgabe der Maschine sowie die üblicherweise durchgeführten Bauprozesse kaum Mobilität voraussetzen dürfen. Ansonsten wird die Kostenfrage die wahrscheinlich entscheidende Rolle in Bezug auf die langfristige Konkurrenzfähigkeit zwischen E-Fuels, HVO100 und Wasserstoffverbrennungsmotoren spielen.

Gedeiht die grüne Branche?

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Wie beurteilen Sie das Potenzial von Wasserstoff als Energieträger für Baumaschinen?

Huber: Im Vergleich zu synthetischen Kraftstoffen weist Wasserstoff entlang der gesamten Prozesskette deutlich höhere Wirkungsgrade auf. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass die Speicher- und Transportlogistik mit einem hohen Aufwand und entsprechenden Kosten verbunden ist. Insbesondere bei einer sehr dezentralen Verteilung von Wasserstoff sind hohe Aufwendungen im Bereich der Versorgungslogistik zu erwarten. Infolge der geringen Energiedichte sind je nach Baustellenkonstellation komplexe Logistikprozesse mit mehreren Versorgungsfahrzeugen erforderlich. Diese stellt Anwender vor signifikante prozessuale Herausforderungen und kann in beträchtlichen zusätzlichen Kosten resultieren. Die Elektrifizierung ist in allen Leistungsklassen, in denen diese batterieelektrisch abbildbar ist, mit Sicherheit einfacher umsetzbar und, gemessen an der Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses, vorteilhafter. Sofern die Möglichkeit besteht, Baumaschinen kabelelektrisch zu betreiben, sollte diese Variante in Erwägung gezogen werden.

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Zur Person

Vor seiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fördertechnik, Materialfluss und Logistik der Technischen Universität München absolvierte Adrian Huber ein Studium des Wirtschaftsingenieurwesens an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Möglichkeiten zur Digitalisierung und Vernetzung von Baumaschinen im Bauhauptgewerbe mit dem Ziel einer großflächigen industrieller Adaption digitalisierter Baugeräte. Zudem befasst er sich mit der anwendungsoptimierten Dimensionierung leichter Baugeräte sowie alternativen Antrieben für Baumaschinen und der Umsetzung klimaneutraler Bauprozesse. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Optimierung bauprozessualer Abläufe sowie der energetischen Betrachtung von Baustellen als Gesamtökosysteme. Zusätzlich zur langjährigen Betreuung der Vorlesung „Baumaschinen“ an der Technischen Universität München leitet er die Forschungsgruppe „Smarte Arbeitsmaschinen und Systeme" und ist in Verbänden und Gremien der Baubranche aktiv.

Welche Rolle spielen Brennstoffzellen?

Huber: Eine differenzierte Antwort auf die Frage nach der zukünftigen Bedeutung von Wasserstoff muss sicherlich auch die Brennstoffzelle als eine mögliche Technologie berücksichtigen. Obgleich sie höhere Wirkungsgrade aufweist als der Wasserstoffverbrennungsmotor, erweist sie sich aufgrund ihrer mangelnden Fähigkeit, Leistungsspitzen abzudecken sowie aufgrund der hohen Anforderungen an die Reinheit der Umgebungsluft und Sensibilität gegenüber Erschütterungen als größtenteils ungeeignet für den Einsatz in Baugroßgeräten. Des Weiteren ist das allgemeine Leistungsvermögen im Gegensatz zu Wasserstoffverbrennungsmotoren aktuell noch stark eingeschränkt. Als dezentrale Energiespeicher könnten sie in Bauumgebungen anstelle von klassischen Akkucontainern jedoch unter speziellen wirtschaftlichen Gegebenheiten sinnvoll eingesetzt werden. Es ist zu erwarten, dass die Entwicklung auch in diesem Bereich weiter voranschreiten wird. In den kommenden Jahren könnte die Technologie für Baugroßgeräte zunehmend attraktiv werden. Der aktuelle Stand der Technologie lässt jedoch noch keine sinnvolle Anwendung von Brennstoffzellen in industriellen Maßstäben zu.

Ausbau der Ladeinfrastruktur

Wie wichtig ist der Ausbau der Ladeinfrastruktur für den Einsatz von E-Baumaschinen, gerade auf Baustellen in ländlichen Regionen?

Huber: Der Ausbau der Ladeinfrastruktur ist eine grundlegende Voraussetzung für die wirtschaftliche Nutzung elektrischer Baumaschinen. Die gegenwärtig häufig langen Genehmigungsverfahren für Baustrom stellen eine Erschwernis für die Planung dar und führen zu einer Beeinträchtigung des Vertrauens in die Technologie. Zudem existieren erhebliche Restriktionen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Netzanschlüsse auf Baustellen. Dies führt dazu, dass der Energiebedarf auf Baustellen nicht gedeckt werden kann, sollte überwiegend mit elektrischen Baumaschinen gearbeitet werden. In ländlichen Regionen ist die Sicherstellung der Einsatzfähigkeit elektrischer Baumaschinen auf einer Vielzahl von Baustellen aufgrund fehlender Infrastruktur schlichtweg nicht möglich. Folglich wird der Einsatz dieser Art von Maschinen massiv erschwert. Das Problem ist jedoch ein gesamtgesellschaftliches, dessen Lösung weder von den Herstellern von Baumaschinen noch von Generalunternehmern erwartet werden kann.

Der Elektro-Minibagger Cat 301.9 E wird über ein integriertes „OnBoard"-Ladegerät aus dem Automotive-Bereich mit 3 kW Leistung über Nacht geladen. Wer es schneller möchte, greift zum externen Schnellladegerät MEC009 von Caterpillar. | Foto: Zeppelin Rental

Welche wirtschaftlichen Anreize sind erforderlich, um die Umstellung auf alternative Antriebe für Unternehmen attraktiver zu machen?

Huber: Die Diskussion umfasst sowohl direkte Verbote konventioneller Baumaschinen in innerstädtischen Gebieten oder für bestimmte Leistungsklassen als auch die Einführung einer CO₂-Steuer. Ein oft erwogenes Modell sieht vor, die im Baubetrieb von Baumaschinen emittierten Emissionen mit dem Angebotspreis zu verrechnen und dem Bauanwender in Rechnung zu stellen. Selbstverständlich erweisen sich derlei Maßnahmen, insbesondere im Kontext des Straßenbaus, eher als publikumswirksam denn als tatsächlich sinnvoll, vergleicht man die Emissionen, die in der Asphaltproduktion entstehen, mit jenen, die durch dessen Einbau verursacht werden. Überdies zeigt sich, dass selbst ein CO₂-Preis von bis zu 100 Euro pro Tonne (aktuell liegt ein Emissionszertifikat auf dem europäischen Emissionshandel bei etwa 70 Euro) nur eine marginale Auswirkung auf die Angebotssumme hat. Der Steuerungseffekt beziehungsweise Vorteil, den die Verwendung einer emissionsfrei angetriebenen Maschine in diesem Kontext für den Auftragnehmer mit sich bringt, ist folglich minimal, sofern kein exorbitant hoher CO₂-Preis aufgerufen wird oder direkte Verbote eingeführt werden.

Förderung bei der Anschaffung von Baumaschinen

Welche gesetzlichen Rahmenbedingungen sind notwendig, um die Umstellung auf alternative Antriebe zu fördern?

Huber: Insbesondere eine staatliche Förderung im Bereich der Anschaffungskosten kann als sinnvoll angesehen werden, um die Umstellung auf alternative Antriebe zu erleichtern. In Anlehnung an die Förderung von Elektrofahrzeugen könnte auch die Anschaffung von Baumaschinen mit alternativem Antrieb bezuschusst werden. Der Vorteil einer solchen Förderung liegt nicht nur in der erleichterten Investitionsentscheidung für Anwender, sondern auch in der Möglichkeit einer signifikanten Steigerung der Absatzzahlen für OEMs. In der Konsequenz können Skaleneffekte in der Produktion genutzt und neue Investitionen in Antriebstechnologien und Produktionsverfahren getätigt werden. Beides resultiert in einer weiteren Reduktion der Kosten, was die Adaption weiter beschleunigt. Es ist zu konstatieren, dass der politische Gestaltungswille im Off-Highway-Bereich deutlich geringer ist als im On-Highway-Bereich. Unter Berücksichtigung der aktuellen Gegebenheiten erscheint die Umsetzung langfristiger, signifikanter Fördermaßnahmen für alternativ angetriebene Baumaschinen deshalb wenig wahrscheinlich.

Welche Forschungsfelder sind wichtig, um die Entwicklung von alternativen Antrieben in der Bau-Branche voranzutreiben?

Huber: In erster Linie ist hier Forschung im Bereich alternativer Antriebstechnologien, die speziell auf die Bedürfnisse von Baumaschinen ausgelegt sind, zu nennen. Neben batterieelektrischen Konzepten, welche in hohem Maße von der Forschung im Automobilbereich profitieren, werden auch Wasserstoffverbrennungsmotoren und hybride Konzepte zunehmend ausgereifter. Im Gegensatz zum Automobilbereich ist das Aufgabenspektrum sowie die damit einhergehenden Energiebedarfe von Baumaschinen von einer hohen Komplexität geprägt. In Anbetracht der vielfältigen Einsatzbereiche und zahlreichen Maschinenklassen ist die Entwicklung differenzierter Antriebskonzepte unerlässlich, um den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Maschinen-Anwendungs-Kombination gerecht zu werden. Daher ist es von essenzieller Bedeutung, Forschung im Bereich typisch durchgeführter Bauaufgaben und Maschinenkompositionen zu betreiben sowie ein Gesamtverständnis für Baustellen als energetische Ökosysteme zu entwickeln. Dies ist die Voraussetzung dafür, dass Baumaschinen prozessoptimal ausgelegt und wirtschaftlich angeboten werden können.

Welche Auswirkungen hat die Umstellung auf alternative Antriebe auf die Beschäftigten in der Bau-Branche?

Huber: Die Beschäftigten in der Bauindustrie sehen sich mit der Anforderung konfrontiert, zunehmend Know-how im Bereich der Bedienung und dem allgemeinen Umgang mit alternativ angetriebenen Baumaschinen aufzubauen. Während bislang lediglich ein Energieträger, Diesel, sämtliche Maschinen versorgte und geringen Planungsaufwand verursachte (immer vorhanden, wenn Maschine leer ist, wird nachgetankt), sind nunmehr teils komplexe Ladestrategien und Energiebedarfsplanungen erforderlich. Dies ist von essenzieller Bedeutung, um sicherzustellen, dass sowohl jede Maschine als auch die Baustelle als Ganzes stets mit ausreichend Energie versorgt ist und es zu keinem Prozessstillstand aufgrund eines Energieengpasses kommt. Ein wesentlicher Aspekt, der von den für den Einkauf verantwortlichen Entscheidungsträgern als kritisch erachtet wird, ist das aktuell noch unzureichende Know-how der Belegschaft im Umgang mit alternativ angetriebenen Maschinen. Dies betrifft sowohl die Verwendung im Bauprozess als auch die Wartung der Maschinen. Diese Defizite müssen durch geeignete Schulungsangebote, auch seitens der OEMs, beispielsweise beim Kauf einer solchen Maschine, schrittweise beseitigt werden.

Wacker Neuson erweitert sein „Zero Emission"-Angebot kontinuierlich weiter – auch mit dem neuen Elektrobagger EZ26e. | Foto: Wacker Neuson

Alternativer Antrieb als Standard?

Wann rechnen Sie damit, dass alternative Antriebe in der Baubranche den Standard darstellen werden?

Huber: An dieser Stelle ist eine differenzierte Betrachtung erforderlich, um eine passende Antwort geben zu können. Neben einer starken Ausdifferenzierung zwischen unterschiedlichen Märkten und Regionen – im skandinavischen Markt wird diese Entwicklung schneller vonstattengehen als im südamerikanischen – ist auch eine Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Geräteklassen erforderlich. Eine valide Aussage kann lediglich für einzelne Baumaschinentypen in spezifischen Regionen getroffen werden. Mein Versuch einer Verallgemeinerung für den europäischen Markt als Ganzes (wobei auch dieser eine hohe Ausdifferenzierung aufweist) sieht wie folgt aus: Innerhalb der Kategorie kleiner Baugeräte, auch als „Light Equipment" oder alles unter eineinhalb Tonnen bezeichnet, kann davon ausgegangen werden, dass der Punkt „alternativer Antrieb als Standard" in absehbarer Zeit erreicht wird. Es ist zu erwarten, dass batterieelektrische Geräte innerhalb der nächsten fünf bis zehn Jahre den Standard in dieser Klasse darstellen werden. Die Motivation, alternative Antriebe zu etablieren, ist weniger von der Reduktion globaler CO₂-Emissionen als von der Reduktion lokaler Lärm- und Abgasbelastungen sowie dem verbesserten Maschinenhandling geprägt. Für die Klasse bis zehn Tonnen ist eine etwas längere Trajektorie zu erwarten, dennoch ist davon auszugehen, dass auch in diesem Segment in absehbarer Zeit zunehmend batterieelektrische Angebote verfügbar sein werden. Die Frage, zu welchem Zeitpunkt genau diese Geräte den Standard darstellen werden, ist zum einen eine definitorische Frage und zum anderen von den politischen Rahmenbedingungen abhängig. Für die Maschinenklasse mit einem hohen Energieverbrauch und einem Gewicht von über zehn Tonnen wird der klassische Verbrennungsmotor, gegebenenfalls unter Verwendung synthetischer Kraftstoffe oder in hybriden Antriebskonzepten, noch für einen längeren Zeitraum eine wichtige Rolle spielen.

Welche ungenutzten Potenziale sehen Sie für mehr Klimaschutz in der Bauindustrie?

Huber: Das größte Potenzial für die Branche als Ganzes liegt in der Verwendung klimafreundlicherer Baumaterialien. Diesbezüglich ist der Hebel zur Reduktion der Emissionen deutlich größer als bei den maschineninduzierten Emissionen im Baubetrieb. Dennoch sind auch diese in einer ähnlichen Größenordnung wie der Luftfahrtsektor oder die globale Schifffahrt. Die Notwendigkeit, klimafreundlicher zu bauen und auch die Emissionen im laufenden Baubetrieb zu reduzieren, lässt sich folglich nicht von der Hand weisen. In Bezug auf die Bauindustrie lässt sich sowohl hinsichtlich wissenschaftlicher Forschungstätigkeiten als auch staatlicher Fördermaßnahmen ein deutlicher Rückstand gegenüber anderen Industriezweigen konstatieren. In diesem Kontext kann auf den potenziellen Nutzen der Förderung von Forschung und Entwicklung alternativer Antriebe speziell für die Bedarfe von Baumaschinen hingewiesen werden. Dadurch könnten bisher ungenutzte Potenziale gehoben und klimapolitische Ziele schneller erreicht werden.