Gravemaskiner kan bli helelektriske uten å bli dyrere

Fra Sirdal, Flekkefjord og Stavanger kommer løsningen som virkelig kan sette fart i elektrifiseringen av anleggsmaskiner. Per Olav Haughom, ingeniør og oppfinner med base i Sirdal i Agder, så en utfordring med de fleste av løsningene som til nå er vist.

– Fossilfrie anleggsmaskiner er jo et hett tema, vi vil være med på utviklingen. Til nå har de kun skiftet dieselmotoren til elmotor og batteri. Men kraftoverføringen er laget for en annen tid og for dieseldrift. Det betyr at den ikke har veldig høy virkningsgrad – om man brukte noen liter diesel ekstra, betydde ingen ting, sier Haughom.

Nå betyr det tapet mye mer. Batteriene må være store for å takle en hel arbeidsdag, ladetiden blir lang, om det i det hele tatt er strøm tilgjengelig under veibygging. Haughom forteller at da de begynte å se på elektriske gravemaskiner, fant de at den hydrauliske kraftoverføringen har en virkningsgrad på i beste fall mellom 40 og 50 prosent. Om den bedres, vil behovet for strøm også reduseres.

Volumnøytrale sylindre

– Vi måtte lage noe som tok tak i det grunnleggende: kraftoverføringen. Da vi begynte å se på dette, fant vi at en overføring som regenererte kraften, var løsningen. Med vårt system kommer virkningsgraden på kraftoverføringen opp mot 90 prosent.

Haughom utviklet derfor et system der retningsventilene for bomsylinderen, stikkesylinderen og skuffesylinderen er erstattet med lukkede og uavhengige oljekretser. Hver krets omfatter en dobbeltvirkende sylinder, en elektromotor og en oljepumpe. Fordi tradisjonelle sylindere har ulike trykkvolum og returvolum, er hver oljepumpe tilkoblet en oljetank slik at det kan dreneres overskuddsolje fra returvolumet når sylinderen beveges i en trykkretning – og fra tanken og til returvolumet når sylinderen går i en returretning. De nye sylindrene er volumnøytrale, slik at oljemengden i hver enkelt krets kan holdes konstant. Den volumnøytrale sylinderen har en patentert løsning som gjør at den kan byttes ut med eksisterende sylindere, og gi samme skyvekraft, uten å gjøre inngrep i gravemaskinen.

Den nye sylinderen gjør det mulig å høste energien når armen senkes. Da snur elmotoren og blir en generator som leverer strøm tilbake til batteriet.

Haughom kontaktet AMV i Flekkefjord og Advanced Control i Stavanger. Oppfinnelsen til Haughom får nå sitt endelige design av ingeniørene hos AMV, som også produserer dem. Sammen med Convexa AS stiftet de selskapet Elmaco. De første sylindrene er produsert, testet og klare, nå står ombygging av den første gravemaskinen på dagsordenen hos AMV. Industribedriften i Flekkefjord med 250 ansatte har produksjon i Sverige og Kina i tillegg og produserer en rekke maskiner for anleggsbransjen.

Klar for fullskala forsøk

– Vi har hatt samtaler med flere entreprenører, nå har vi valgt én, og om kort tid skriver vi en avtale, forteller Peder Andersen. Han er daglig leder i AMV og styreleder i Elmaco.

Entreprenøren skal være bruker, Elmaco skal selv eie maskinen. Prototyper på systemet har vært testet ut i lokalene til AMV, nå kommer første fullskala prototyp for bruk på en ordinær anleggsplass.

– Ja, etter å ha tegnet mellom 10 og 20 utkast, vridd og vrengt på de fleste, kom vi opp med noe som fungerte. Vi laget den første testriggen og så at teorien fungerte i praksis. Derfor er vi nå klare til å montere systemet i en gravemaskin og kjøre fullskala tester, sier Haughom.

Maskinen blir en 15-tonns maskin, endelig valg er ikke gjort, men en av de største gravemaskinleverandørene vil bli valgt. De nye sylindrene har standard tilkoplinger og kan monteres på alle gravemaskinene fra de etablerte leverandørene. I tillegg til nye sylindre får den et batteri på ca. 250 kWh, en brenselcelle som yter 30 kW og en hydrogentank.

I løpet av det siste halvåret har en rekke av de store lastebilprodusentene gjort det klart at de vil erstatte dieselmotorene med hydrogendrevne brenselceller. Men flere melder også at teknologien ikke er moden og at en mellomfase derfor blir ombygde dieselmotorer som går på hydrogen. Det skal ikke være en problemstilling for elektriske gravemaskiner. Haughom peker på at for tungtransport trengs langt kraftigere brenselceller enn den på 30 kW som kommer i gravemaskinene. Disse er driftssikre og klare til bruk.

Kostnadsrammen for fullskala-testmaskinen er ti millioner kroner, som finansieres med egenkapital og tilskudd fra Innovasjon Norge.

– Tilskudd fra Innovasjon Norge har vært utløsende for å realisere prosjektet, og vi har god erfaring med Innovasjon Norge gjennom tidligere prosjekter, sier Haughom.

Lover god økonomi for entreprenørene

For å lykkes i praksis, holder det ikke med ideelle tanker om å redusere klimagassutslipp – det må også være lønnsomt. En del av dette utviklingsprosjektet har vært samtaler med anleggsentreprenører. Svarene derfra var tydelige: De ønsker gravemaskiner med en kostnad som ikke overstiger dagens timepris på en dieselmaskin som bruker 15 liter i timen, og de ønsker ikke en helt ny maskin, men en ombygd maskin fra en av de anerkjente leverandørene på grunn av tilgang til deler og service. Det tredje ønsket var at maskinene ikke må trenge lading.

Dette siste ønsket har styrt valget av batteri og brenselcelle. Maskinen må kunne gi 100 kW momentant, da må den kraften komme fra et batteri. Basert på målinger og kurver som viser kraftuttaket på en gravemaskin i ordinær drift, ga det størrelsen på 200-250 kWh. Når brenselcellen yter 30 kW i åtte timer, har den tilført batteriet 240 kWh, i tillegg kommer regenerativ lading. Dermed er behovet for kabler eliminert.

Utviklerne stod overfor nok en utfordring – maskinføreren må kjenne seg igjen. Når joysticken beveges, må det resultere i en like rask og like nøyaktig reaksjon som tidligere. Det sørger Advanced Control og Torstein Øygarden for. Han har laget systemet som binder komponentene sammen og får det hele til å fungere.

Selvkjørende maskiner er neste trinn

Øygarden forteller at de allerede har begynt å vurdere neste steg i utviklingen. Det er førerløse, autonome gravemaskiner.

– Også for førerløse maskiner er kraftoverføringen hovedutfordringen i dag. Selv om føreren kan operere med svært høy nøyaktighet, er ikke systemet nøyaktig nok. Med den nye elektro-hydrauliske løsningen får vi en så nøyaktig styring at vi kan bruke sensorer, kunstig intelligens og maskinlæring, sier Øygarden.

Han legger til at nå som styresystemet er utviklet og klart, er utfordringen å pare programvare og maskinvare og få de to til å fungere sammen. Elektriske komponenter som skal inn den ombygde maskinen, kommer hovedsakelig fra Siemens. Det er standardisert hyllevare.

Andersen er trygg på at dette blir en suksess og viser til at det årlig selges rundt 2000 gravemaskiner i Norge.

– Om vi tar 15 til 20 prosent av dette markedet, blir det fort et milliardmarked. Alle prater nå om å redusere utslipp, vi gjør nå det myndighetene ber oss om: Vi lager grønne, industrielle løsninger som kan eksporteres. I 2015 var 30 prosent av omsetningen vår til olje og gass, i fjor var det redusert til 1 prosent, men omsetningen har økt, sier Andersen.

Øygarden har liknende erfaringer. For hans bedrift har andelen av omsetningen som går til olje og gass falt fra 70 til 35 i samme periode.

Den nye gravemaskinen skal – om gruppen bak ikke møter uforutsette vanskeligheter – være klar til innsats i løpet av 2022.