Pictures of the Future Herbst 2008
Zukunft der Rohstoffe – Grubengiganten
Giganten unter Strom
In zahlreichen Tagebaustätten auf der Welt sind gigantische Gefährte im Einsatz. Dort graben sie etwa nach ölhaltigen Sanden oder transportieren Tonnen von Kupfererz. Siemens stattet die riesigen Bagger und Trucks mit modernen, hoch effizienten Elektroantrieben aus und hilft so, eine Menge Energie, Zeit und Geld zu sparen.
Titanen mit E-Motor: Pro Kelle können die Bagger 120 t stemmen. Die Trucks müssen bis zu 400 t bewegen. Noch fixer und sparsamer geht das mit Hilfe von Oberleitungen (unten)
Neben diesem Muldenkipper sieht selbst ein gestandener Minenarbeiter aus wie eine Maus neben einem Elefanten. Allein die Reifen messen fast 4 m im Durchmesser. Insgesamt ist das stählerne Gefährt hoch wie ein dreistöckiges Wohnhaus und breit wie eine zweispurige Autobahn. Solche Trucks im XXL-Format sind in den Kupferminen der Anden unterwegs, in Sambias Diamantgruben und in den teerhaltigen Ölsandgebieten Kanadas. In ihren swimmingpoolgroßen Mulden bringen sie Rohstoffe zu Sammelstellen, Sortier- und Waschanlagen.
Die Tagebau-Titanen sind keine Massenware. Immerhin kosten sie pro Stück über 2 Mio. €. "Umso wichtiger ist, dass sie möglichst effizient genutzt werden und nur selten wegen Wartungs- oder Reparaturarbeiten ausfallen", sagt Walter Köllner von Siemens Energy & Automation in Atlanta. Einen Beitrag dazu leisten Drehstromantriebe, mit deren Vertrieb Köllner unter anderem betraut ist. Die Elektromotoren sitzen an den Hinterrädern, können den kapitalen Muldenkipper auf 60 km/h beschleunigen und auch abbremsen. Keine Kleinigkeit, denn der Truck bringt 200 t auf die Waage und ist damit so schwer wie 130 Mittelklassewagen. Ist er voll beladen, müssen die Antriebe sogar 600 t bewegen, durch Sand und Matsch, durch tiefe Löcher und über steile Hügel.
Elektro statt Diesel. Ein mächtiger Dieselmotor mit mehr als 3 000 PS sorgt für die Stromproduktion. Doch warum treibt er nicht gleich das Fahrzeug an? "Der Grund ist einfach: Es rechnet sich letztlich nicht, die Motorleistung wie in einem Auto über ein Getriebe auf die Piste zu bringen. So ein Getriebe wäre sehr groß und schwer und müsste zudem regelmäßig gewartet werden", erklärt Köllner die Nachteile eines rein mechanischen Antriebs.
Der Elektroantrieb mache dagegen sogar Kupplung und Bremsscheiben im normalen Betrieb überflüssig. Gebremst werde über elektrische Widerstände und die Geschwindigkeit lasse sich über die Drehstromfrequenz stufenlos regeln. "Der Truck lässt sich im Grunde wie ein Pkw mit Automatikgetriebe fahren", erzählt der Ingenieur, der schon einmal selbst am Steuer eines Riesen-Kippers gesessen hat.
Schon seit über dreißig Jahren setzt Siemens auf Drehstromantriebe für Minenfahrzeuge. "Das elektrische Drehfeld kann direkt in eine mechanische Rotation umgesetzt werden", erklärt Köllner. Manche Hersteller favorisierten dagegen noch heute Gleichstromantriebe. In diesen Motoren muss jedoch der Strom ständig unterbrochen und neu geschaltet werden, um eine Drehbewegung zu erzielen. Das aber beschränkt die Drehzahl, die ein solcher Motor erreichen kann. Und es erfordert mehr Bauteile, die regelmäßig gewartet werden müssen. "Unsere Wechselstrommotoren liefern bei gleichem Energieeinsatz bis zu 7 % mehr Leistung, und es gibt nur selten Ausfälle wegen Wartungs- oder Reparaturarbeiten", sagt Köllner. "In der Regel reicht ein Technik-Check im Jahr."
Abgasfreie Riesen-Trucks. Der Wechselstromantrieb ist außerdem die Grundlage für eine Entwicklung der Siemens-Ingenieure, die den Transport wertvoller Minengüter noch deutlich beschleunigen kann: die Trolley Trucks. Diese sind wie eine Straßenbahn mit geweihartigen Stromabnehmern ausgestattet, die sich auf Knopfdruck senken und heben lassen. Damit kann der Fahrer den Truck in fest installierte Oberleitungen einhaken, die in der Regel auf steilen Hängen errichtet sind. "Hier kommen herkömmliche Trucks trotz ihrer gut 3 000 PS mitunter nur im Schritttempo voran", sagt Köllner. Die Oberleitungen könnten die Antriebe mit einer Leistung von fast 6 000 PS versorgen. Dadurch lasse sich die Geschwindigkeit der Trucks fast verdoppeln und die Minenbetreiber können sogar einige der teuren Titanen ganz einsparen.
Von der Trolley-Technik profitiert auch die Umwelt: Es entstehen keine Abgase, denn der Dieselmotor schaltet sich beim Kontakt mit den Oberleitungen automatisch aus. Zudem lässt sich die Bremsenergie, die frei wird, wenn der Truck abwärts rollt, über ein zweites Paar Oberleitungen wieder zurück ins Netz speisen. Wegen all dieser Vorteile rechne sich die Technik recht schnell, so Köllner. "Spätestens nach drei Jahren haben die Minenbetreiber die Kosten für den Kauf der Trolley Trucks und die Installation der Oberleitungen wieder eingefahren."
Geschwindigkeit ist nicht nur beim Transport Trumpf, sondern auch beim Beladen. Deshalb kommen in den Minen neben den riesigen Trucks auch gigantische Bagger zum Einsatz: Monumente aus Stahl, die an einen Schiffsbug erinnern und auf einem Kettenfahrwerk thronen. Ihre Greifarme sehen aus wie Strommasten, und die Schaufeln sind so groß wie Wohnmobile. Mit einer Kelle können sie 120 t bewegen. Nur vier Schaufeln reichen, um die Ladeflächen der Riesentrucks zu füllen. "Das dauert nicht einmal zwei Minuten", sagt Köllner.
Auch die Bagger laufen mit Siemens-Drehstromantrieben, zurzeit sind es mehr als 150 weltweit. "Wir setzen vier Motoren unterschiedlicher Leistung ein: Der mit 2 600 PS stärkste Motor hebt und senkt den Baggerarm, ein anderer bewegt die Schaufel, ein dritter sorgt dafür, dass sich der Bagger drehen kann, und ein vierter treibt das Kettenfahrwerk an", berichtet Köllner. Im Gegensatz zu den Trucks stünden die Bagger allerdings längere Zeit am gleichen Ort. Sie bräuchten deshalb keinen Dieselgenerator und zögen ihren Strom aus abflussrohrdicken Stromkabeln.
Ganz gleich, ob Truck oder Bagger: Das Herz aller elektrischen Drehstromantriebe sind die Umrichter, die in übermannshohen Stahlschränken stecken. Sie verwandeln den Strom aus Dieselgenerator oder Kabel in modulierbaren Drehstrom. In den Umrichtern stecken besonders langlebige Schalterelemente, für die die Bahntechnik Pate stand. "Für Lokomotiven gelten ähnliche Extrembedingungen wie für die Minenfahrzeuge", erklärt Köllner. Sie müssen bei minus 40 °C ebenso gut laufen wie in glühender Hitze, und die Luftkühlung der Umrichter darf selbst bei niedrigem Luftdruck im Gebirge nicht versagen.
Digitale Assistenten. Nicht zuletzt helfen ausgeklügelte Leitsysteme, die Wartungs- und Reparaturzeiten kurz zu halten. Mit ihrer Hilfe kann die Funktionstüchtigkeit der Maschinen von einer Zentrale aus kontrolliert werden (Pictures of the Future, Frühjahr 2005, Bagger am Datennetz). "Außerdem können mit unserem regionalen Setup und lokalen Partnern im Falle eines Falles schnell helfen", betont Christian Dirscherl, der beim Siemens-Sektor Industry in Erlangen Komplettlösungen für Minenbetreiber entwickelt. Das Leistungspaket soll sogar noch erweitert werden, berichtet er: "Künftig wollen wir Bagger und Trucks mit Sensoren bestücken, die selbst in der staubigen Luft zuverlässig Hindernisse ausmachen können." Neue Assistenzsysteme sollen wie im Straßenverkehr die Sicherheit erhöhen und den Fahrer entlasten. Einst könnten die Giganten sogar ohne Fahrer wie von Geisterhand gelenkt auf Rohstoffjagd gehen. "Doch das ist wirklich noch Zukunftsmusik", sagt der Ingenieur.
Andrea Hoferichter