Elettrificazione in agricoltura seguiamo la “corrente”

SPECIALE TRATTORI
Anche i costruttori di trattori stanno studiando l’applicazione di dispositivi elettrici
di Riccardo Biondini, Michele Mattetti e Giovanni Molari - Distal, Università di Bologna – [email protected]
Elettrificazione in agricoltura
seguiamo la “corrente”
L
Foto 1 - John Deere 7530 E Premium
(da: http://www.utilajeagricolelopez.ro).
a meccanica agraria moderna ha raggiunto un alto livello tecnologico, di automazione e semplificazione delle lavorazioni grazie alle tecnologie impiegate. Le richieste che
vengono fatte oggi ai progettisti di trattrici e
macchine operatrici riguardano in maniera
sempre crescente l’incremento sia dell’efficienza in termini i consumi che la capacità di
interfacciarsi efficacemente attraverso l’Isobus con le diverse macchine. Perseguendo
questi obiettivi, l’applicazione di dispositivi
elettrici sta acquisendo sempre maggiore interesse da parte dei produttori. I dispositivi
elettrici hanno evidenti vantaggi rispetto ai
sistemi idraulici, nello specifico: minori attriti,
migliore precisione di controllo dei dispositivi, semplificazione del layout con conseguente risparmio di spazio.
Per quanto riguarda la trattrice, i progettisti
delle case produttrici si stanno muovendo
in due direzioni prevalenti. La prima consiste
nell’elettrificazione della trattrice inserendo
un generatore che azioni gli organi ausiliari
(ventola radiatore, pompa acqua, pompa gasolio, pompa olio, sistema di climatizzazione
ecc). Questa filosofia mira al risparmio di carburante dovuto a una maggiore efficienza dei
sistemi elettrici rispetto ai sistemi tradizionali. La seconda, invece, consiste nell’installazione di generatori che consentano al trattore di fornire l’energia necessaria all’azionamento di macchine operatrici elettrificate.
John Deere come pioniere
La prima trattrice commerciale elettrificata
è il John Deere 7530 E Premium (Foto 1) che
si differenzia dalla macchina standard per la
presenza di un generatore elettrico da 20 kW
assorbiti rispettivamente da: ventola radiatore (10 kW), compressore dell’aria condizionata (5 kW), trasformatore DC/DC (4 kW)
(Fig. 1). I 20 kW possono utilizzati per fornire
un power-boost alle ruote quando il carico
motore è elevato. Il risparmio di carburante è
Foto 2 - Belarus 3023 (S. Florentsev, D. Izosimov, L. Makarov, S. Baida, A. Belousov, Complete Traction Electric Equipment
Sets of Electro-Mechanical Drive Trains for Tractors, atti del IEEE Region 8 SIBIRCON-2010, Irkutsk Listvyanka, 2010).
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Il Belarus 3023 (Foto 2) è stato presentato
nell’edizione del 2009 dell’Agritechnica e ha
un generatore 172 kW di potenza in grado di
azionare il cambio Cvt elettro-meccanico e la
Pto anteriore (fino a 55 kW) e in tal modo la sua
velocità è totalmente indipendente da quella
del motore. Questo permette di mantenere il
regime della PTO costante durante la lavorazione con conseguenti benefici sul risultato
della lavorazione agronomica. Il produttore
ha fatto delle prove di aratura confrontando
la produttività tra il trattore prototipale e uno
equivalente di normale produzione evidenziando un incremento della produttività del
2% con una riduzione dei consumi di combustibile del 18% per la versione elettrificata.
Il sistema ElecTra di ZF è stato presentato
nell’edizione 2011 di Agritechnica e applicato su di una trattrice Deutz-Fahr Agrotron
TTV 630 da 163kW di potenza motrice. È
costituito da un generatore elettri»»»
*Da: J. Barthel, D. Gorges, M. Bell, P. Munch, Energy Management for Hybrid Electric Tractors
Combining Load Point Shifting, Regeneration and Boost, atti del Vehicle Power and Propulsion
Conference, Coimbra, 2014.
G
3~
Generatore
Convertitore
DC/DC
12 V DC
Prototipi Belarus, ZF e Fendt
Fig. 1 - Schema del sistema John Deere E-Premium*
M
Batteria
3~
700 V DC
stato valutato tra il 5 ed il 14% a seconda delle lavorazioni effettuate rispetto al 7530 Premium (M. Onnen, Coming Soon: Tractor Electrification, Resource, Sep/Oct 2011). Inoltre,
sono presenti 2 prese elettriche posteriori
rispettivamente da 230V e 400V per azionare utensili per eventuali riparazioni in campo.
Queste prese elettriche sono state sfruttate
per l’accoppiamento attrezzature elettrificate quali rimorchi, spandi concime Rauch EDR
e una barra irrotrice John Deere 840.
Dal John Deere 7530 E Premium è stato
sviluppato il prototipo LIB-OFF-road (Fig. 2),
dove alla trattrice commercialmente prodotta sono state aggiunte una batteria ausiliaria
agli ioni di litio, prese elettriche per le attrezzature e sistemi di controllo avanzati. Tutto
ciò ha permesso di arricchire il sistema elettrico con un power boost elettrico, la ricarica delle batterie in frenata e un sistema che
permette di ottimizzare il regime di rotazione
del motore termico per mantenerlo nella fascia di massima efficienza semplicemente
variando la velocità di avanzamento grazie
all’intervento del motore elettrico.
Un altro prototipo basato sul John Deere
7530 E Premium è il trattore eE-Tour, dove
in aggiunta alla versione commerciale è presente una batteria da 50kWh portata sull’attacco a 3 punti anteriore in sostituzione della
zavorra anteriore. L’alta capacità della batteria consente una maggiore flessibilità in tutte
le strategie di ibridizzazione della trattrice e
di utilizzarla come accumulatore di energia elettrica in tutta l’azienda agraria, specialmente in quelle energeticamente autosufficienti.
Inverter
della ventola
M
3~
Inverter
del compressore A/C
Inverter 1
dell’attrezzattura
Inverter 2
dell’attrezzatura
Fig. 2 - LIB-OFF-road*
*Da: J. Barthel, D. Gorges, M. Bell, P. Munch, Energy Management for Hybrid Electric Tractors
Combining Load Point Shifting, Regeneration and Boost, atti del Vehicle Power and Propulsion
Conference, Coimbra, 2014.
Centralina
Distributori
ausiliari
Batteria
PTO e Ruote
3
Motore a combustione
interna
Generatore
Trasmissione
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Fig. 3 - Sistema ZF ElecTra con seminatrice Amazone*
*Da: F. Rahe, T. Wessels, O. Weinmann, M. Götz, Field Trials with EDX eSeed and ZF Terra+, atti del Kolloquium Elektrische Antriebe in der landtechnik, Wieselburg, 2013.
Ventola elettrica
(400 v, 11 kW,
trasmissione asincrona)
Sistema per separazione
della granella (230 V)
Foto 3 - Prototipo Fendt
XConcept presentato
nell’edizione del 2013 di
Agritechnica.
Comunicazione bidirezionale
Linee elettriche:
alta tensione
co da 50kW e consente l’alimentazione dei
dispositivi ausiliari (ventola radiatore, raffreddamento motore elettrico) e degli attuatori
sull’attrezzatura (Fig. 3). Il sistema di gestione integrato dialoga anche col motore endotermico richiedendo più potenza in caso
di necessità, garantendo corrente ai dispositivi fondamentali e diminuendo la velocità
di avanzamento se la potenza è insufficiente.
Il sistema è può fornire un power boost e il
recupero dell’energia in frenata se è accoppiato ad un accumulatore.
Il prototipo Fendt XConcept (Foto 3) presentato nell’edizione 2013
di Agritechnica e si basa
su un trattore della serie
700. È dotato di un generatore da 147 kW di
potenza che consente
Centralina, inverter e sistema
di sicurezza sul trattore
di produrre fino a 130kW di potenza elettrica
per alimentare eventuali attrezzature elettrificate ed i servizi ausiliari del trattore stesso.
Un trattore convenzionale può essere elettrificato attraverso dei generatori portati
sull’attacco a 3 punti (posteriore o anteriore)
azionati dalla PTO. Questi generatori utilizzano motori sincroni a magneti permanenti
che uniscono l’alta densità di potenza alla gestione del regime di rotazione senza encoder grazie ad un inverter. La potenza di questi generatori varia da 15 kW a 100 kW (Foto
4). Il primo sviluppato è stato presentato al
Landtechnik 2011 dall’Università di Vienna in
collaborazione con le aziende HighTechDrives GmbH e BLT Wieselburg. Il produttore dichiara un’efficienza superiore al 90%.
Elettrificazione attrezzatura
L’elettrificazione delle attrezzature rappresenta, allo stato attuale, la strategia di più
facile impiego, poiché consiste essenzialmente nella sostituzione di motori idraulici
con motori elettrici. Un esempio di elettrificazione delle attrezzature è la seminatrice
Amazone EDX eSeed (Fig. 3) utilizzata per
testare il sistema ElecTra ZF che è dotata di
2 motori elettrici da 400V per i ventilatori (in
sostituzione a motori idraulici) e di 1 motore da 230V per il separatore centrifugo della
barra di semina (in sostituzione a i motore idraulico).
Grande attenzione è stata destinata ad assi
trattivi elettrici per rimorchi o attrezzature.
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Un esempio è il sistema di moto-
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SPECIALE TRATTORI
traino esercitata. Altro esempio di macchina operatrice con trazione elettrica è rappresentata da una scavapatate Grimme SV260
in cui la trazione idraulica è stata sostituita
da quella elettrica. Anche in questo caso
i vantaggi rispetto alla trazione di tipo idrostatico sono la maggiore elasticità
e la facilità di controllo del sistema di
trazione.
Sviluppi futuri
Foto 4 - Generatore
elettrico portato
all’attacco a tre punti e
azionato dalla Pto.
Foto 5 - New Holland NH2,
primo prototipo al mondo
di trattore dotato di fuel cell.
rizzazione degli assi o delle singole ruote di
un rimorchio in grado di sfruttare l’elettricità
prodotta da un generatore da 70kW posto
sul trattore. Il rimorchio utilizzato nella prova
è dotato di 2 motori elettrici con una potenza
di 50kW cadauno. I motori elettrici possono
essere applicati su tutti gli assi o su tutte le
ruote e possono essere controllati per impedire lo slittamento e per facilitare le svolte.
Inoltre possono funzionare in maniera automatica secondo una logica che tiene conto
dello slittamento del trattore o della forza di
La recente ricerca sui sistemi elettrici in agricoltura ha privilegiato la
disponibilità di corrente elettrica per
attrezzature esterne al trattore. La ricerca si sta ora spingendo verso la
totale elettrificazione della catena cinematica come dimostrano il bulldozer
diesel-elettrico (Cat D7E) costruito da
Caterpillar con una potenza di 178kW ed
un peso operativo di 26055 kg, e dal progetto
New Holland NH2 (Foto 5) con propulsione
ad idrogeno, quindi funzionamento elettrico.
Questo porterebbe ad enormi vantaggi: riduzione consumi, possibilità di accoppiamento del trattore con attrezzature elettrificate,
riduzione manutenzione e controllo preciso
di ogni meccanismo elettrificato; inoltre sarebbe più facile inserire motorizzazioni alternative a quella standard a gasolio.
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