Багери с хибридно задвижване

Динамиката в цените на дизеловото гориво, замърсяването на околната среда и съответно все по-голямата чувствителност на съвременните общества към изпусканите в атмосферата изгорели газове принудиха правителствата и производителите в развитите страни да търсят все по-иновативни решения като отговор на тези предизвикателства. Едно от актуалните към момента решения в строителството са багерите с хибридно задвижване.

Какво обаче трябва да се разбира конкретно под понятието хибридно задвижване или хибриден багер? В последните десет години стана модерно да се говори за „хибриди“ и в голяма степен думата „хибриден“ се използва доста безкритично, в т.ч. и за технологии, които не би трябвало да се наричат така. Общоустановеното правило гласи, че „хибридът е машина, оборудвана с устройства, които улавят, съхраняват и подават енергия по време на работа“. Ето защо машините с дизел-електрическо задвижване не са хибридни, защото нито улавят, нито съхраняват, нито подават съхранена енергия. При тях дизеловият двигател задвижва електрогенератор, който на свой ред захранва електромотор/и, задвижващи трансмисия и/или работна хидравлика. В същото време има интересни комерсиализирани американски разработки на челни товарачи (например на John Deere), които събират и подават енергия, която иначе не би се оползотворила, но не я съхраняват, т.е. те също трябва да се изключат от понятието хибридни.

Фокусът в тази статия е поставен само и единствено върху хибридните багери, защото при този вид машини тя е най-популярна и развита. Технологията на хибридните багери е комерсиализирана от над 11 години и понастоящем в света работят хиляди такива машини, реализиращи реални икономии на дизел до 30% и повече в сравнение с аналогичните модели с конвенционално задвижване. Най-голямата популация засега е в Япония, където правителството мотивира от много години строителните фирми, като финансира с 30% покупката на хибриден багер, съответно японските производители на хибридни багери съвсем логично са най-напред с технологиите. В България засега работят над 50 хибридни багера, като почти всички са Komatsu.

Основни понятия и принципи
Едно от основните понятия, които се използват при хибридните технологии е регенеративното (рекуперативното) спиране. Това е процес, който стои в сърцевината на много хибридни системи и може да се определи най-кратко като процес на забавяне или спиране на движеща се маса (например въртящ се купол на багер, движещ се челен товарач, или спускане стрелата на багер) с преобразуване на кинетичната є енергия в друга форма на енергия, която може да се съхранява или да се използва за извършване на работа. Този процес използва инерцията на машината, за да се накарат моментално електромотори да работят като генератори или хидромотори като хидравлични помпи.

По правило в хибридните системи, използващи електромотор-генератори, се влагат дизелови двигатели с по-малка мощност спрямо аналогичния багер с конвенционално задвижване. Електромотор-генераторът е компонент на хибридните системи, базирани на електрически принцип, който може да функционира като електромотор и като електрогенератор (т.нар. „електрически“ хибриди). Той се интегрира в системата (към двигателя с вътрешно горене) по такъв начин, че, докато работи като електромотор, да може да добави въртяща сила към тази на двигателя с вътрешно горене или да помогне в задвижването на хидравлични помпи, облекчавайки по този начин двигателя и спестявайки гориво. Като генератор електромотор-генераторът подава ток на други електромотори в системата или зарежда устройства за съхраняване на енергия, като кондензатор или акумулаторна батерия.

Когато при спиране на въртенето на надстройката или спиране на спускането на стрелата на багера хидравличният поток не се блокира, а се насочва към азотни акумулатори през разпределител за улавяне енергията от въртенето/спускането, имаме „хидравлично“ хибридно задвижване. Тук кинетичната енергия се съхранява за последващо използване, тъй като се компресира газът в акумулаторите.

Между екологията и икономиката
След като японците започнаха да работят интензивно по темата багери с хибридно задвижване, потенциал за развитие в тази посока видяха и други производители. Doosan например имаше два прототипа на хибридни багери - с работна маса 21,5 т и 25,5 т, като по-лекият бе пуснат за продажба в Южна Корея през 2009г. с амбициозни планове за въвеждане в САЩ и Китай. По-големият, DX255LC-5 Hybrid, имаше преди няколко години изпитания в реални работни условия в Европа. Другият южнокорейски гранд Hyundai показа свой 22-тонен багер с хибридно задвижване на изложението Intermat 2012 в Париж, който две години преди това бе пуснат за продажба в Южна Корея. В Европа обаче тези южнокорейски разработки засега не са комерсиализирани. На изложението bauma 2013 в Мюнхен Liebherr представи 40-тонен концептуален багер, който по доста оригинален начин съчетаваше двете основни хибридни технологии - електромотори и кондензатор плюс хидравлични акумулатори с азот. В днешно време обаче Liеbherr използва хибридни задвижвания само при подемно и пристанищно оборудване.

През 2009г., а след това и през 2015г., на изложението Intermat на щанда на Case CE също имаше експонати на 22-тонен хибриден багер, което не бе съвсем неочаквано предвид кооперирането на компанията с реномирания японски производител Sumitomo. Доколкото е известно, тези хибридни багери и то в сранително малко количество са продавани в Япония под оригиналната марка Sumitomo.

Предвид всички тези основни положения по-нататък ще разгледаме как се прилага хибридната технология само при най-големите производители на верижни багери, които имат отношение към европейския пазар - най-напред при „електрическите“ хибриди и след това при „хидравличните“ хибриди.

Komatsu
С право Komatsu може да се нарече пионер в разработването и комерсиализацията на хибридните багери (от 1999г.). Продажбите стартират през 2008г., а към момента хиляди хибридни багери Komatsu работят по целия свят. Голямата популярност на тези машини у нас безспорно се дължи на Евромаркет Кънстракшън, но любопитен факт е, че първият хибриден багер, модел Komatsu HB215LC-1, е доставен още от предишния официален представител на марката, Киров СМО, през 2014г. на Строймаш, Пловдив. Още тогава бе установено чрез първите доклади на системата за дистанционен мониторинг Komtrax, че разходът на дизел е около 11 л/ч. За сравнение средната консумация на дизел в Европа при 22-тонните багери на Komatsu с конвенционално задвижване e 15-16 л/ч.
Характерно е, че дизеловият двигател на багера Komatsu HB215LC е 4-цилиндров с мощност 148 к.с. (за сравнение аналогичният модел с конвенционално задвижване на Komatsu използва 6-цилиндров агрегат с 165 к.с.). Хибридната система включва основно два електромотор-генератора: единият за въртенето на надстройката, а другият е куплиран между двигателя и хидравличната помпа. Системата включва също ултракондензатор и инвертор, управляващ посоката и мощността на различните енергийни потоци. От една страна кинетичната енергия, получена при спиране на въртенето на надстройката, се преобразува в електрическа и се подава през инвертор към ултракондензатора. Така съхранената енергия може да бъде подадена много бързо за завъртане на надстройката или към електромотор-генератора. От друга страна електромотор-генераторът, разположен между двигателя и хидравличните помпи, може да действа като генератор и да захранва кондензатора при необходимост. Освен това електромотор-генераторът може да ползва електричество от кондензатора, за да подпомогне дизеловия двигател при натоварване по време на работа. През 2016г. на пазара бе въведен и 36-тонен модел с хибридно задвижване на същия принцип.

Най-големите постижения в икономиите на гориво в България с хибридни багери Komatsu са от порядъка на 30-40%.

Kobelco CM
Това е един изключително интересен японски производител с уникални решения и в хибридните задвижвания. Първият хибриден багер на Kobelco CM е с маса 8 тона и е пуснат на пазара в Япония през 2010г. Хибридната система на Kobelco SK-80H-2 е доста сложна. Тя използва електромотор-генератор, задвижван от дизеловия двигател за зареждане както на кондензатор, така и на метал-хидридна акумулаторна батерия (мощността на дизеловия агрегат е намалена на 37 к.с. спрямо 54 к.с. при конвенционалния 8-тонен багер на Kobelco). Съхраненото електричество се насочва чрез инвертори към четири електромотора. Три от тях задвижват хидравличната помпа и по този начин създават хидравличен дебит към стрелата, рамото, кофата и ходовата част. Четвъртият електромотор захранва въртенето на надстройката директно и, когато действа като генератор при спиране въртенето на надстройката, той зарежда кондензатора и батерията. Инженерите на Kobelco CM са предвидили отделен хидравличен кръг за съвместното действие на електромотора и хидравличната помпа за захранване на стрелата.

В края на 2012г. Kobelco представи 21-тонния си хибриден верижен багер SK200H за японския пазар, като заяви възможни икономии на гориво до 16%. А през 2017г. в Европа бе въведен 21-тонният Kobelco SK210HLC-10. Този хибриден багер разполага с два основни агрегата за задвижването. Използването на голяма литиево-йонна батерия позволява запазване в по-голяма степен на съхраненото електричество за захранване на специалния 25-киловатов мотор-генератор, разработен от Kobelco. Другият агрегат е дизелов двигател от Hino Motors, какъвто се използва при конвенционалния модел SK210LC-10. В допълнение моторът за въртенето на надстройката също е електрически. При тестове на Kobelco е установено, че хибридната машина има същата производителност като конвенционалния модел, но разходът на гориво е средно с 12,3% по-нисък.

Caterpillar
Компанията обяви официално премиерата на своя първи хибриден багер през октомври 2012г., а след това се възползва от световното изложение bauma 2013, за да представи за първи път пред широката публика своя комерсиализиран модел с „хидравлично“ хибридно задвижване. Това бе 36-тонният Caterpillar 336E H. Постигането на икономии на дизел при него се осъществяваха чрез три технологии: пестене на гориво чрез система за управление мощността на двигателя в комбинация с помпа с електронно стандартизирано програмиране (ESP Pump); оптимизиране на работоспособността чрез рестриктивно управление посредством патентования хидравличен разпределител на системата за адаптивно управление ACS; и повторно използване на енергия от „хидравлична“ хибридна система, която улавя енергията при спиране въртенето на надстройката в акумулатори и след това я подава при ускоряване на завъртането й.

Вложената от Caterpillar „хидравлична“ хибридна технология използва регенеративно спиране, за да съхрани кинетичната енергия хидравлично. Както всички хидравлични багери, използващи хидромотор за въртенето на купола, Caterpillar 336E H забавя скоростта на въртене на купола до спиране, когато джойстикът се пусне и хидромоторът вече не се задвижва от хидравличната помпа. В този момент инерцията на въртене на машината става силата, която кара хидромотора да действа като помпа. При конвенционалните багери подаденият дебит на хидравлично масло от хидромотора, сега действащ като помпа, се блокира, създавайки съпротивление в хидравличния кръг, което заключва хидромотора. Процесът преобразува кинетичната енергия в топлина. Но при Caterpillar 336E H този хидравличен дебит се насочва през разпределител за улавяне енергията от въртенето към азотни акумулатори. По-този начин кинетичната енергия се съхранява за последващо използване, тъй като се компресира газът в акумулаторите.

По изчисления на производителя часовите икономии на дизелово гориво възлизат на до 25% в сравнение със стандартния модел 336D, а горивната ефективност (количество гориво на куб. м изкопана маса) е подобрена с дори до 50%. През март 2015г. Caterpillar представи второто поколение на 36-тонния хибриден багер - моделът 336F LN XE. Понастоящем обаче в гамата на Caterpillar хибриден багер липсва. През 2018г. в 36-тонния клас американците въведоха два модела с конвенционално задвижване, Cat 336 и Cat 336GC, съобразно новата им и изцяло преосмислена продуктова стратегия.

Volvo EC300 Hybrid - най-новият концепт
Конвенционалните багери на Volvo CE традиционно са едни от най-икономичните, поради което доста време компанията не се впусна в хибридната технология. Все пак една от звездите на щанда на Volvo CE по време на изложението bauma 2019 бе 30-тонен хибриден багер Volvo EC300 Hybrid. Въпреки че още не се продава се спираме на него заради спецификата на „хидравличната“ му хибридна технология.

Спускането на стрелата на багера надолу зарежда енергосъхраняващи хидравлични акумулатори, които се използват за подаване на енергия при задвижване на хидравличната помпа. За разлика от други системи, които улавят енергията от въртенето на надстройката на багера, за да подпомогнат по електрически път дизеловия двигател, хидравличният хибрид на Volvo събира „безплатната“ енергия, генерирана от движението надолу на багерната стрела и я използва за подсилване на хидравличната система. Мощните и повтарящи се движения надолу на стрелата зареждат 20-литровите хидравлични акумулатори, които на свой ред подават енергия за задвижване на спомагателни хидромотори, помагащи за задвижването на хидравличната помпа. Налице е същото високо ниво на управляемост и работоспособност както при конвенционалния ЕС300Е, като е предвидена и възможността да се работи едновременно в икономичен и хибриден режим.

Цялата тази съвсем несложна технология намалява натоварването на двигателя и в процеса на работа и осигурява 10-12% по-нисък разход на гориво и съответно до 12% по-малко емисии на СО2 - и всичко това без загуба на производителност. При работа, включваща загребване и разтоварване на материала (особено, ако има завъртане на надстройката на 90°) изплащането на тази проста технология отнема малко повече от година, изчисляват от Volvo CE. А машината осигурява до 17% по-добра горивна ефективност в зависимост от извършваната работа.

Hitachi CM
Японският производител въведе своя хибриден багер ZН200 в Страната на изгряващото слънце през юли 2011г., а в Европа 20-тонният хибрид бе показан за първи път на изложението Intermat в Париж през 2012г. Още тогава Hitachi CM декларираха икономии на гориво до 20% в сравнение с конвенционалния модел ZX210-3. Хибридното задвижване тогава използваше два мотора за въртене надстройката на багера - един електрически и един хидравличен, кондензатор и електромотор-генератор. При спиране на въртенето на надстройката електромоторът за въртенето действа като генератор и зарежда кондензатора, който след това захранва електромотора за въртенето в самото начало за ускоряване, в помощ на хидромотора.

Електромотор-генераторът е свързан към хидравличните помпи и регулира количеството електрическа енергия, съхранявано в кондензатора, като подпомага работата на дизеловия двигател и зарежда кондензатора. Дизеловият агрегат на хибридния багер имаше тогава същата мощност, както на аналогичния модел на Hitachi с конвенционално задвижване - 164к.с.

През 2014г. в Европа дебютира новото поколение хибридни верижни багери на Hitachi CM – 22-тонния ZH210LC-5 hybrid. Благодарение на новата хидравлична система TRIAS HX разходът на дизел се намалява с до 31% в сравнение с модела ZX210-3 с конвенционално задвижване.

Три години по-късно (през 2017-а) Hitachi CM представи най-новото си поколение 22-тонен хибриден багер ZH210-6. В сравнение с предишния хибриден модел Hitachi ZH210-5, новият багер спестява допълнителни 12% дизел както в мощен, така и в икономичен режим. А в сравнение с конвенционалния 22-тонен модел Hitachi ZX210-6 той предлага икономия на гориво от 20%. Новият силов агрегат на Hitachi ZH210-6, в който са интегрирани дизелов двигател с мощност 73 кВт/99 к.с. (по-малък от този на Hitachi ZH210-5) и спомагателен електромотор с мощност 44 кВт, има значителна роля за намаляване разхода на гориво.

Според Hitachi CM мощността и въртящият момент само на дизеловия двигател са достатъчни за обичайната работа на багера. Когато е необходима максимална мощност при голямо натоварване на машината, спомагателният електромотор също влиза в действие. Това прави новия хибриден модел по-ефективен от ZH210-5 и конвенционалния ZH210-6. Вместо с голям кондензатор, както бе при Hitachi ZH210-5, новият модел е оборудван с литиево-йонна батерия с голям капацитет, разработена от Hitachi Automotive Systems. Това увеличава значително непрекъснатото подаване на електричество към спомагателния електромотор, което означава, че той може съществено да подпомага с мощност дизеловия двигател при това за по-дълго време. При изпълнение на леки задачи спомагателният електромотор действа като електрогенератор и зарежда литиево-йонната батерия, подобно на системите в хибридните автомобили.

Хибридната технология не е панацея
Внимание, внимание! Доказан факт е, че хибридните багери не пестят гориво винаги и при всякакви приложения. Ето защо сериозните производители много внимателно изучават работните условия при клиента преди да предложат багер с хибридно задвижване. Натрупаният опит показва, че хибридният багер може да спести много гориво, когато е налице интензивно въртене на цялата надстройка и то при колкото може по-голям радиус. Завъртането на цялата надстройка по принцип изисква много енергия, като при конвенционалните багери това се отразява съществено на разхода на гориво, а в същото време принудителното спиране на надстройката в необходимата позиция „прахосва“ една част от подадената хидравлична мощност. Предимството на хибридния багер е, че улавя тази енергия и я превръща в електрическа или хидравлична, съхранява я и може да я подаде за следващото завъртане на надстройката. Но какво се случва, когато условията на работа са такива, че не е необходимо завъртане на надстройката с голям радиус? Разходът на гориво на хибридния багер може да е колкото на конвенционалния, може да е малко по-нисък, но може и да е по-висок. Подобен експеримент бе проведен от Volvo CE във Великобритания през 2015г., след което, ако си спомняте, шведите имаха рекламна кампания, че техният конвенционален верижен багер Volvo EC220 Е е по-икономичен от хибрид. Такива експерименти са правени и от български фирми, например ГБС-Инфраструктурно строителство, които също показаха, че, за да се получат съществени икономии на гориво, първо трябва да са налице подходящи работни условия, метод на копаене, позициониране на багера, отстояние от самосвала или бункера, който се пълни, опитността на оператора и други.