Energiesparender hydraulischer Felsbohrer: Geringer Verbrauch und hohe Produktivität

Bei einem pneumatischen System mit festem Hubvolumen entweicht jeder Liter Luft, den der Kompressor erzeugt und den der Bohrhammer nicht unmittelbar nutzt, über das Überdruckventil und geht verloren. Bei einem hydraulischen System mit offener Regelung ohne Lasterkennung geschieht dasselbe mit überschüssigem Ölvolumenstrom – er wird über das Überdruckventil wieder in den Tank zurückgeleitet und wandelt dabei die gesamte Druckenergie in Wärme um. Ein Bohrhammer, der mit 50 % seines zulässigen Schlagduty-Cycles läuft, verbraucht während der gesamten Schicht volle Pumpenleistung, wovon die Hälfte als Abwärme verloren geht, da die Pumpe während der Leerlaufphasen keine Möglichkeit hat, ihre Leistungsabgabe zu reduzieren.

Das ist das zentrale Energieproblem, das lastgeregelte Hydrauliksysteme lösen. Die Pumpe erfasst die tatsächliche Verbrauchernachfrage im Kreislauf und erzeugt nur die Leistung, die die Schlag-, Dreh- und Vorschubkreisläufe gerade benötigen. Während des Kragenbohrens, der Neupositionierung und des Bohrrohrwechsels – wahrscheinlich 30–40 % jeder Schicht – verringert die Pumpenverstellung gemeinsam Durchfluss und Druck, wodurch der Kraftstoffverbrauch bei geschlossenen Regelkreisen gegenüber vergleichbaren offenen Regelkreisen um 15–20 % gesenkt wird. Dieser Vorteil ist über die gesamte Lebensdauer einer Maschine keineswegs gering.

Hydraulik vs. Pneumatik: Die energetische Lücke ist struktureller Natur

Hydraulische Bohrhammer verbrauchen etwa ein Drittel der Energie pneumatischer Geräte gleicher Leistung beim Bohren derselben Gesteinsformation. Das ist keine Marketingbehauptung – es ist eine Folge der Unverdrehbarkeit des Übertragungsmediums. Luft ist kompressibel: Ein Teil der Energie wird zum Verdichten der Luft benötigt, und ein Teil dieser Energie geht als Wärme bei der Expansion verloren. Hydrauliköl hingegen ist nahezu inkompressibel; die Pumpe liefert Druckenergie, die nahezu verlustfrei direkt in Kolbenbewegung umgesetzt wird. Hydraulische Bohrhammer liefern zudem pro Schlag eine höhere Schlagenergie als vergleichbare pneumatische Modelle, da der höhere Betriebsdruck (160–220 bar bei hydraulischen gegenüber 6–10 bar bei pneumatischen Geräten) es ermöglicht, mit einem kleineren, leichteren Kolben dasselbe oder sogar ein größeres Impulsmoment zu erzielen.

Der zweite strukturelle Vorteil besteht darin, dass hydraulische Systeme sich nahtlos mit verstellbaren, lastabhängigen Pumpen integrieren lassen. Pneumatische Verdichter mit festem Hubvolumen arbeiten mit konstanter Leistungsabgabe – es gibt kein Äquivalent zu einer lastabhängigen Schrägscheibe bei einem Schraubenverdichter. Die hydraulische Pumpe des Baggers oder Bohrgeräts hingegen kann ihr Hubvolumen während Leerlaufphasen nahezu auf Null reduzieren und innerhalb von Millisekunden wieder auf die Nennleistung hochfahren, sobald Druck für den Schlagbetrieb erforderlich ist. Unter realen Einsatzbedingungen führt dies im Vergleich zu Systemen mit festem Hubvolumen, die dieselbe Arbeit verrichten, zu einer Kraftstoffeinsparung von 15–30 %.

Wo die Einsparungen entstehen: Vier Mechanismen

Lastabhängige, verstellbare Verdrängung erzielt den größten Anteil der Energieeinsparungen – 15–20 % über eine komplette Schicht hinweg bei gut abgestimmten Systemen. Der zweite Mechanismus ist die Optimierung des Schlagkreislaufs: Durch Verbreiterung der Ölgänge und Einsatz von Kolbendesigns mit zwei Durchmessern werden Drosselverluste im Schlagventil reduziert, wodurch der interne Umgehungsstrom von 50–55 % der hydraulischen Eingangsleistung auf 56–57 % steigt. Der dritte Mechanismus ist das Wärmemanagement – weniger verschwendete Energie bedeutet kühleres Rücklauföl, was wiederum eine geringere Belastung des Ölkühlers und eine geringere Viskositätsdegradation zur Folge hat; dies führt zu längeren Ölwechselintervallen. Der vierte Mechanismus ist die Effizienz des Spülkreislaufs: Durch richtige Dimensionierung der Spülwasserpumpe entsprechend dem tatsächlichen Bohrlochbedarf statt eines Betriebs mit fester Leistung wird der Hilfsenergieverbrauch reduziert, insbesondere in Tunneln, wo der Spülkreislauf auch zwischen den Bohrungen kontinuierlich läuft.

Vergleich der Energieeffizienz: Pneumatisch, Standardhydraulisch und optimiert hydraulisch

Der Umwandlungswirkungsgrad von 25–57 % ist entscheidend, weil der Ausgangswert ausschlaggebend ist. Bei 25 % (pneumatisch) gehen drei Viertel der eingespeisten Energie verloren, noch bevor auch nur ein Millimeter Gestein gebohrt wird. Bei 57 % (optimiert hydraulisch) sinken die Verluste auf 43 % – immer noch erheblich, doch die Verbesserung ist so groß, dass sich die Wirtschaftlichkeit dessen ändert, was sich lohnt zu bohren. Tiefe Bohrlöcher in Randformationen, die mit pneumatischen Systemen nicht wirtschaftlich sind, werden mit effizienter hydraulischer Ausrüstung rentabel.

Langfristige Kraftstoffkosten: Der Aufzinsungseffekt

Ein hydraulischer Bohrhammer mit einer Leistung von 20 kW, der 250 Tage pro Jahr in zwei Schichten mit jeweils vier Stunden tatsächlicher Schlagtätigkeit pro Schicht betrieben wird, läuft jährlich etwa 2.000 Schlagstunden. Das zugehörige Hydraulikaggregat läuft über ein breiteres Zeitfenster – einschließlich Aufstellung, Neupositionierung und Leerlauf. Ein System mit Lastsensortechnik erzielt bei all diesen Nicht-Schlagphasen, in denen ein System mit festem Hubvolumen mit voller Leistung arbeitet, Einsparungen von 15–20 % beim Kraftstoffverbrauch.

Bei einer konservativen Differenz von 10 Litern pro Stunde zwischen einem lastsensorgesteuerten System und einem vergleichbaren System mit festem Hubvolumen (unter Berücksichtigung der Leerlaufphasen) ergibt sich bei 3.000 Betriebsstunden des Trägerfahrzeugs pro Jahr ein jährlicher Dieselverbrauch von 30.000 Litern. Bei einem Preis von 1,00 USD pro Liter – einer konservativen Annahme für die meisten Bergbaurmärkte – belaufen sich die jährlichen Einsparungen auf 30.000 USD pro Maschine. Über eine Nutzungsdauer von fünf Jahren rechtfertigen allein die Energieeinsparungen eine deutliche Aufpreisbereitschaft für lastsensorgesteuerte Hydrauliksysteme gegenüber Systemen mit festem Hubvolumen.

Dichtungszustand und Energieeffizienz: Die versteckte Verbindung

Der hydraulische Wirkungsgrad ist im Laufe der Lebensdauer der Ausrüstung nicht konstant. Eine Schlagkolben-Dichtung in gutem Zustand lässt während des Arbeitshubs nur eine minimale Ölmenge von der Hochdruck- auf die Niederdruckseite durch – im Wesentlichen beschleunigt also die gesamte verfügbare Druckdifferenz den Kolben. Mit zunehmendem Verschleiß der Dichtung steigt der Durchfluss an der Dichtung (Bypass) an. Bei jedem Prozentpunkt zusätzlichen Bypass verringert sich der wirksame Schlagdruck, und die im Rücklaufkreis in Wärme umgewandelte Ölmenge nimmt zu. Eine so stark verschlissene Dichtung, dass ein Bypass von 8–10 % entsteht, reduziert die Effizienz des Bohrgeräts wieder auf das Niveau eines nicht optimierten Designs und macht damit die Hardware-Verbesserungen zunichte.

Die Aufrechterhaltung einer gut konstruierten energiesparenden Bohrmaschine auf ihrer vorgesehenen Effizienzstufe bedeutet, den Austausch von Dichtungen als eine Leistungswartungsmaßnahme zu betrachten – nicht nur als Maßnahme zur Vermeidung von Leckagen. HOVOO liefert Dichtungssätze für gängige Bohrhammer-Modelle: PU für den Standardbetriebstemperaturbereich, HNBR für Hochtemperaturanwendungen, bei denen eine erhöhte Öl-Rücklauftemperatur die PU-Dichtungen vorzeitig abbauen würde. Modellbezeichnungen unter hovooseal.com.