Dízelmotorok után mi következik?

Írta: GÉPmax-2021/I. lapszám cikke - 2021 február 05.

Az alternatív teljesítménykoncepciók olyan régiek, mint maguk a traktorok. Bizonyos fejlesztések teljesen eltűntek, például a tiszta növényi olajjal üzemelő Elsbett-motor. De a témához kapcsolódó „tanulmányok” vagy „kísérleti traktorok” továbbra is sorra megjelennek az Agritechnica szakkiállításokon, és agrármérnökök szakmai találkozói során is állandó érdekességet jelentenek. A kutatások szerint energiatárolóként akkumulátorok vagy a hidrogén pótolhatja a dízel üzemanyagot.

De a farmokon a gyakorlati megoldások száma kivételesen korlátozott, ez érthető. Végül is a fosszilis energián alapuló megoldások teljes körű megváltoztatásának kísérlete nem gyermekjáték. De a jelenlegi éghajlatváltozás idején meddig engedhetjük meg magunknak, hogy maradjunk a fosszilis energiánál?

A mezőgazdasági gépek gyártói alternatívákat keresnek a dízel kiváltására, és nemcsak a csatlakoztatott munkagépek, hanem a fő hajtás számára is. A jelenlegi fejlemények két területre összpontosítanak: elektromos meghajtásra (akkumulátorok, hidrogén/üzemanyagcellák segítségével vagy közvetlen úton), valamint belsőégésű motorokra, amelyek metánnal vagy fenntartható forrásból származó szintetikus üzemanyaggal dolgoznak. Kétségtelen, hogy a gyártók minden lehetőséget megvizsgálnak, bár nem mindegyik ugyanolyan mértékben működik mindenhol. Például a CNH-konszern (azaz motorgyártója, az FPT és a New Holland traktorgyártó) jelenleg az üzemanyagcellákra és a gázmotorokra koncentrál, míg a John Deere és a Fendt elsősorban most a villamosításra összpontosít.

 

Elektromos meghajtás
Az elektromos meghajtásnál mindig az áramellátás kérdése merül fel. Az akkumulátorok csak kisebb traktorokhoz rendelkeznek elegendő kapacitással.

 

VILLAMOSENERGIA HIDROGÉNBŐL

A New Holland már 2009-ben jelentkezett egy, a T6.140-ből kialakított, tiszta hidrogénnel hajtott koncepciótraktorral. A tényleges meghajtás egy 120 LE teljesítményű elektromotorból származott. Ezt egy második e-motor egészítette ki a kardántengely és a segédeszközök számára. Tehát itt elektromos áramot állítottak elő hidrogénből az üzemanyagcellákon keresztül. Az üzemanyagcelláknak van néhány előnyük az akkumulátorokkal szemben, és a sűrített hidrogén alkalmas a tartályban történő tárolásra. Azonban a vele való munkát nem szabad félvállról venni, elég csak a Hindenburg léghajó katasztrófájára gondolni… A személyautó-ipar nem sokat foglalkozott ezzel a megoldással. A teherautók esetében azonban a nagy gyártók (Daimler, Iveco, Volvo) keményen dolgoznak a koncepción, és azt szeretnék, hogy a technológia tíz év múlva készen álljon a piacra. A városi buszok esetében a fejlődés még ennél is gyorsabb lehet. Az elektromobilitáshoz hasonlóan a nagyobb távolságokat támogató infrastruktúra kialakítása itt is komoly feladatot jelent.

A gazdálkodás szempontjából a széles körben elterjedt üzemanyaghálózat nem jelent problémát. A hidrogént a helyszínen lehet előállítani elektromos áram hatására történő vízbontással, fotovoltaikus rendszer segítségével, vagy a biomassza fermentálásából származó metán felhasználásával. Itt van lehetőségünk arra, hogy ne csak a helyi nulla emisszió révén legyünk sikeresek, hanem mint „energiafüggetlen gazdaság” is. A hidrogén használatán keresztül történő elektromobilitás viszonylag drága, de ahol nagy teljesítményre van szükség, ott még mindig alternatívát jelenthet az akkumulátorokkal szemben, különösen ott, ahol nincs mód kábelek elektromos gépekhez történő csatlakoztatására. A traktorokkal kapcsolatban azonban jelenleg nincsenek új fejlesztések.

 

METÁN

De miért kell metánból előállítani a nehezen kezelhető hidrogént, ha a traktort közvetlenül metángázzal is lehet működtetni? A gond itt az, hogy a metán földgáz formájában történő felhasználása, csakúgy, mint a magánautóknál, egyszerűen az egyik fosszilis üzemanyag cseréjét jelentené a másikra. Elvileg a metánt hidrogénből lehet előállítani elektrolízissel, biogázból. A metánt –162°C-on (folyékony földgáz, LNG) lehet cseppfolyósítani, jelentős energiaigény mellett, vagy sűríthetjük is (sűrített földgáz, CNG).

Folyékony vagy gáznemű? Az LNG használata eddig elsősorban a komolyabb távolságokon történő szállításoknál volt alternatíva. Ez arányban áll az LNG viszonylag nagy energiasűrűségével, amely hosszú utakat tesz lehetővé tartálytöltésenként. Ehhez az alkalmazáshoz azonban speciális ellátási infrastruktúra szükséges. Műszaki szempontból az LNG-ben rejlő potenciál jelentős, vidéki területeken és különösen az egyes gazdaságokban azonban nehéz lenne megvalósítani. A metánt, miután feltöltötték a traktortartályba, legfeljebb egy héten belül fel kell használni, vagy egyszerűen elpárolog, és mint a kérődzők esetéből tudjuk, a légkörben található metán az éghajlatra leginkább káros gázok egyike. Egy traktor esetében ez a probléma megoldható. De minden bizonnyal nehézségek lennének a kombájnoknál történő használat során, ha a tartályban lévő maradék metánt más módon nem lehetne felhasználni.

Mi van akkor a CNG-vel? Kétségtelen, hogy ennek hátránya az alacsonyabb térfogatalapú energiasűrűség a dízelhez képest. A traktor normál üzemanyagtartály-mérete nem elegendő, ezért ismerjük fel először a gázmotoros traktort kiegészítő tartályairól!

 

CNG-hajtás
A CNG-t használó traktorok azonnal felismerhetők a kiegészítő metántartályok miatt. Az üzemanyag a gazdaság saját biogázüzeméből szállítható. Fotó: New Holland

 

SŰRÍTETT GÁZZAL SOROZATGYÁRTÁS 2021-BEN?

Akárcsak a hidrogén esetében, itt is a New Holland jár az élen. 2013-ban a vállalat bemutatta az első prototípusokat, még mindig kilenc gáztartállyal a traktor körül. Egy új modell 2019-ben sokkal korszerűbbnek tűnt, és egy sorozatot jelentenek be a 2021-es évre is. A gép hengerenként négyszelepes, hathengeres Otto-motorból húzza ki a 180 lóerőt. Tiszta metánt injektálnak az égéstérbe 24 bar nyomáson. A kipufogógáz-kezelés háromutas katalizátoron keresztül történik. És semmi más nem szükséges – sem részecskeszűrő, sem AdBlue. A gyártó szerint ez 10%-kal kevesebb CO2-kibocsátást jelent a dízelüzemű motorokhoz képest. Ha a traktort biometánnal táplálják, az energia-egyensúly szinte kiegyenlítődik, mindaddig, amíg figyelmen kívül hagyják azt a tényt, hogy a biogáz-nyersanyag előállításához felhasznált területen akár újabb termést takaríthattak volna be.

2015-ben a Deutz-Fahr bemutatott egy traktort (mint a New Holland esetében), amelyet egy szikragyújtású üzemre átalakított dízelmotor hajtott. Teljesítmény: 115 LE. Bonyolult kipufogógáz-tisztítás nélkül is sikerült 1015%-kal kevesebb CO2-kibocsátást elérnie. Még hét sűrített gáztartály használata esetén is ez a kísérleti modell csak a dízelmotoros traktorok hatótávolságának felét kínálta.

A Valtra 2010-től egy másik koncepciót követett egy „kettős üzemű” traktorral. Négyhengeres dízelerőforrását metán-dízel keverékkel táplálták, amelynek aránya az üzemi körülményeknek megfelelően változott. Valójában megkezdték a kis sorozatgyártást, de ennek a koncepciónak az volt a nagy problémája, hogy a technológiának nem adták meg az általánosan érvényes engedélyt, vagyis minden traktort egyedileg kellett regisztrálni.

Így a koncepciótól kezdve a gyakorlati alkalmazásig úgy tűnik, hogy a gázmotorok fejlesztésével még mindig van mit tenni. Kétségtelen, hogy az ilyen traktorok évek óta dolgoznak a vállalati kísérleti gazdaságokban és a kutatóintézetekben. A legnagyobb gyakorlati probléma azonban az, hogy nagyon kevés olyan ország van, ahol a biogázt olyan erősen támogatják, mint Németországban. A csak a traktorhoz használt biogázüzem illuzórikusnak tűnik. Az elektromobilitáshoz hasonlóan az infrastruktúra hiányából adódó problémák leküzdéséhez szükségesek az érdeklődés és az alkalmazás használatának ösztönzésére szolgáló eszközök.

 

AZ ELEKTROMOSSÁG A LEGJOBB?

Néha az a benyomásom, hogy 20 év múlva nem lesz más, csak e-drive. Ennek egy komoly oka van: az akkumulátor és az elektromos motor kombinációjának hatékonysági foka 80%-os, míg a belső égésű motoré csak 34%-os. Mint mindenki tudja, az elektromobilitás legnagyobb problémáját a jelenleg rendelkezésre álló lítium-ion akkumulátorok jelentik. A jelentősebb teljesítmény eléréséhez ezeknek az akkumulátoroknak olyan aránytalanul nagyoknak kell lenniük, hogy méreteik lényegesen meghaladják a traktor méretét. Például egy 400 LE-s, tizenkét órás munkavégzésre alkalmas traktor akkumulátorának 12 tonna tömege lenne, mint ahogy azt Dr. Heribert Reiter, a Fendt fejlesztési vezetője kiszámolta. De 70 LE teljesítmény és négy óra munka esetén a megfelelő specifikáció is 600 kg lenne. Mindemellett érdekesek a Fendt e100-hoz hasonló traktorok, különösen az önkormányzati munka vagy az olyan vállalkozások számára, mint például a szőlőtermesztés, ahol az áramot biogáz révén vagy fotovoltaikus úton állítják elő. Ráadásul az áram lehet az alapja a gazdaság összes robotikájának ellátására is.

 

Steyr-koncepció
Koncepciós tanulmány: Dízelmotor a motorháztető alatt, e-motorok a kerékagyakban. Fotó: Steyr

 

VILLAMOS HAJTÁSÚ ESZKÖZÖK

Teljesen más lehetőséget kínál az elektromos meghajtás a traktorra szerelt munkagépeknél, 48 voltos fedélzeti rendszerrel, vagy például az erőátviteli rendszerekben a hidraulika villamos energiára történő cseréje esetén. Különösen a John Deere volt nagyon kreatív ezen a területen az elmúlt években, amit a legutóbbi Agritechnica kiállításokon elnyert arany- és ezüstérmek is megerősítenek. De itt kevésbé beszélünk a hatékonyságról a CO2-kibocsátás elkerülése szempontjából, és inkább a pontosságban betöltött szerepe a fontos. A hajtóerő biztosítására összpontosító dízel- és elektromotorok kombinációját már 2011-ben bemutatta a Rigitrac és a Drezdai Műszaki Egyetem. Abban az időben ezt drága különlegességnek tekintették. 2019-ben a Steyr a Fiat Powertrain (FPT) testvérpárral együtt – amely szintén nagyon aktív a benzinmotorokkal – hasonló koncepcióval dolgozott. A dízel-elektromos meghajtás elvét addig főként a vasúti mozdonyok használták, bár a hajók is előszeretettel használták (a tengeralattjárókban való indulás után). Ennek a koncepciónak a szíve egy mindig optimálisan működő belső égésű motor, amely a generátorokon és akkumulátorokon keresztül áramot táplál az e-motorokba, minden teljesítményelőnyükkel együtt. A Steyr/FPT információi a lehetséges üzemanyag- és ezzel együtt a CO2-megtakarításról meglehetősen óvatosak: „Bizonyos traktorműveletek során 10% a megtakarítás a tiszta dízelmotorokhoz képest”.

 

ÚJ AKKUMULÁTORKONCEPCIÓKBAN REMÉNYKEDVE

A lítium-levegő akkumulátorok kutatása, amelyek alapvetően 10-20-szor nagyobb energiasűrűséget ígérnek, a korábbi várakozásokkal ellentétben még nem jutott el abba a szakaszba, hogy abszolút megbízható eredményeket lehessen kiszámítani. Az előállításához szükséges alapanyagok (réz, kobalt, lítium, ritkaföldfémek) szükséges mennyisége igencsak megnehezíti a megoldást.

Így mindenki csapdahelyzetbe kerül, amikor a fosszilis tüzelőanyaggal táplált dízelmotort reálisan zsákutcának, az elektromotort pedig „megoldásnak” tekintik. Ez csapda, mert az elektromotor az akkumulátor-dilemma miatt nem tudja igazán a megoldást biztosítani, legalábbis a középső és a magasabb teljesítménytartományban. De lehet, hogy a prófétának nem a hegyhez kell mennie, hanem ezúttal a hegy jön a prófétához! Lefordítva ez azt jelenti, hogy teljesen új ötletekre van szükségünk, ahelyett, hogy a „régi” központi gépet, a traktort egyszerűen beállítanánk a változó körülményekhez. Itt automatizált nagyüzemi gépekről beszélünk, amelyek központi elektromos áramellátással rendelkeznek, de a könnyebb, pontosabb munkák érdekében akkumulátoros robotrajokról is beszélhetünk. Végül az igazi találat egy összehangolt tervezés lenne, amely megfelel az ilyen követelményeknek. A Braunschweig Agrártechnikai Intézetnél nyilvánvalóan „őrült” tervek vannak, amelyek felsővezetékekre függesztett gépeket mutatnak be. Az ellenőrzött terepi forgalom fogalmához kötődve ez végül is nem lehet utópikus jövőkép. Egy másik ötlet a központi áramellátási pontok fordulójára történő telepítés, ahol a gépek a szükséges kábelt visszahúzhatják, mint a jelenleg használt öntözőrendszerekben. Mindezek a fogalmak azonban természetesnek veszik, hogy a szállított villamos energiát „zöld” módon állítják elő.

 

Önvezető munkaegység
Még egy koncepciótanulmány: Az önvezető, elektromos meghajtású munkaegység. Az áramellátás itt csak kábelen keresztül lehetséges. Néhány száz LE-s szükséges akkumulátorok túl nehezek lennének. Fotó: John Deere

 

UTAZÁS AZ ISMERETLENBE

Ha nem lenne emissziós dilemma, akkor nem lenne szükség a dízelmotor alternatívájára. Ha nem lenne az akkumulátor dilemmája, akkor semmiféle alternatíva nem lenne látható a terepmunkák villamosítására. A fosszilis nyersanyagok a mai napig még mindig túl olcsóak. Az elektromotorok előnyei a teljesítményjellemzők, a pontos irányítás és a digitális koncepciókba való integráció. A fejlesztési idő lerövidülhet, ha központi áramellátást lehetne telepíteni a mezőkön. A nagyobb gépek opciója továbbra is az üzemanyagcellákon keresztüli e-meghajtás marad. Itt a teherautó-szegmens (Iveco, Daimler / Volvo) fejlesztései már igen komolyak. Az agrár-technika ehhez kapcsolódhat a jövőben. Műszakilag nézve a legegyszerűbb út azonban továbbra is a módosított dízelmotor, amelyet metán vagy szintetikus üzemanyagok hajtanak.

 

A Steyr traktorról további infók: [LINK]
Mezőgazdasági földgázmotorokról: [LINK]

 

Thomas Preusse, DLG írása alapján összeállította: FM