Mezőgazdasági traktorok és önjáró munkagépek hajtásrendszereinek jövője

Írta: GÉPmax-2022/V. lapszám cikke - 2022 október 06.

A közúti gépjárművek hajtásának rohamos ütemű villamosítása elősegíti a mezőgazdasági gépek villamosítását. Az energiaválság elkerülésének módja és lehetőségének megvalósítása körül viták folynak. Az emberiség számára a gazdasági növekedés fenntartása érdekében nagyon fontossá vált új hajtásrendszerek bevezetése.

A traktorokat és az önjáró munkagépeket majdnem kizárólagosan dízelmotorok látják el a mozgáshoz szükséges energiával. A dízelmotorok meghatározott módon, gázolajjal üzemelnek, és sajnos a kipufogógázok révén szennyezik a környezetet. A gázolajat és a motorbenzint is kőolajból állítják elő. A kőolaj iránti kereslet a járművek számának emelkedésével növekszik, miközben a készletek elfogynak. A belső égésű motorok alkalmazásának két tényező szab határt: a hajtóanyag-utánpótlás biztosítása és – amennyiben fosszilis hajtóanyagot használnak – a földi üvegházhatás, felmelegedés visszafogásának (pl. a CO2-semlegesítésének) elérése.

HAGYOMÁNYOS HELYETT ALTERNATÍV ÜZEMANYAGOK

Az emberiség energiaigényének kielégítése jelenleg főként a fosszilis tüzelőanyagok, a kőolaj, a földgáz elérhetőségétől függ. Ezek árának ingadozása (emelkedése) és beszerzésük bizonytalansága aggodalomra ad okot. Az államok vezető politikusai és szakemberei ezért a megújuló, alternatív üzemanyagok alkalmazásának elterjedését szorgalmazzák. A gépjárműveknél a kőolaj helyettesítésére hosszú távon alkalmas fő alternatív üzemanyagnak a villamos energia, a hidrogén stb. tekinthető. A gázolaj, a benzin és a repülőgépek kerozin üzemanyaga szintetikus hajtóanyagokkal is helyettesíthető (1. kép). Ilyenek például a biomassza, a földgáz, a szén vagy a műanyaghulladék metánná és dimetil-éterré történő átalakítása révén állíthatók elő, de ide sorolhatók a paraffinos dízel üzemanyagok, a hidrogénezett növényi olajok és a Fischer-Tropsch eljárással előállított dízelolaj vagy a benzint helyettesítő szintetikus üzemanyagok, például a metanol és más alkoholok is.

New Holland T6.180
1. kép. A New Holland megkezdte a T6.180 metántraktor sorozatgyártását (forrás: www.newholland.com)

Az energiaválság elkerülésének módja és lehetőségének megvalósítása körül viták folynak. Az emberiség számára a gazdasági növekedés fenntartása érdekében nagyon fontossá vált a hagyományos energiaforrásokról a fenntartható energiaforrásokra való áttérés bevezetése, amely idő- és költségigényes, és sokrétű feladatok megoldását követeli meg, méghozzá a környezet károsításának mérséklése mellett.

Az alternatív hajtóanyagok előállítása és használata a mezőgazdasági erőgépek fejlesztésének, gyártásának, felhasználásának létfontosságú részévé vált. Az alternatív hajtóanyagok kémiai, fizikai, termodinamikai és logisztikai jellemzőinek ismeretén túl az új gépek, eszközök tulajdonságainak megismerése alapvető követelmény. Az alkalmazott kutatásokkal az egyes ígéretes új üzemanyagok felhasználásának potenciális lehetőségeit még bizonyítani szükséges. Az energiaellátás biztosítása érdekében egyre nagyobb igény jelentkezik a különböző tudományágak együttműködésére. A technikai változások kiváltotta társadalmi folyamatok megismerése és kedvező irányú kezelhetősége is nagyon fontos feladat.

A TELJESEN VILLAMOS HAJTÁSRENDSZEREK ALKALMAZÁSÁNAK MEZŐGAZDASÁGI KORLÁTJA

A közúti gépjárművek hajtásának rohamos villamosítása elősegíti a mezőgazdasági gépek villamosítását. A villamos energia erőgépekben történő alkalmazásának legnagyobb problémája az energia tárolásának megvalósítása. A járműalkalmazásokhoz kifejlesztett és legígéretesebb energiatároló a lítiumion-akkumulátor. Ha energiasűrűség oldaláról nézzük, akkor 1 liter gázolaj kb. 10,9 kWh-nak megfelelő hőenergiával rendelkezik, az 1 liter térfogatú lítiumion-akkumulátorban kb. 0,25 kWh villamos energia tárolható, vagyis az energiatárolási sűrűség aránya 44-szeres a gázolaj javára. A dízelmotor hatásfokát csak 30%-ra véve, és az akkumulátoros villanymotoros egység hatásfokát 85%-ra választva a szolgáltatott mechanikai energiasűrűség aránya több mint 15-szörös a dízelmotor javára. Másként fogalmazva, míg például a John Deere 6130M traktor üzemanyagtartálya 195 liter gázolajat fogad be, az ezzel egyenértékű mechanikai munkához szükséges villamos energia tárolásához 3000 liter térfogatú lítiumionakkumulátor-térfogatra van szükség, ráadásul ennek az elektromos egységnek a tömege is jelentős, kb. 7000 kg. A közepes és nehéz traktorok hagyományos hajtásrendszerének villamosra cserélése ma még nem aktuális, többek között figyelembe véve azt a követelményt, hogy a mezőgazdasági szántóföldi munka műszakideje megállás nélkül legyen teljesíthető.

A dízelmotorok hatékony és fenntartható üzemeltetésére a mezőgazdaságnak még hosszú ideig szüksége lesz. A közeljövőben a dízelmotorok üzemeltetőinek meg kell barátkozniuk a változatos energiahordozókkal, az azokhoz tartozó sokrétű technikákkal és azokkal a kompromisszumokkal, amelyekkel a zöld környezet korszaka megvalósítható lesz.

MEZŐGAZDASÁGI GÉPEK HIBRID HAJTÁSRENDSZERE

A mezőgazdasági traktorok és önjáró munkagépek hajtásrendszerének változása a villamos hajtásrendszerek alkalmazásának irányába megkezdődött. Az elkövetkező években a mezőgazdasági gépek villamosítása felgyorsul, az erőgépek mellett egyes munkagépek vonatkozásában is. Ezeket a folyamatokat elsősorban a hagyományos hajtóanyaggal való takarékosság elősegítése és – helyenként – kiváltása, valamint a környezet levegőszennyezésének mérséklése fogja tovább gyorsítani. A dízel-villamos hibrid hajtásrendszerek széles körű elterjedése után, 2040-től várható a teljesen villamos hajtásrendszerrel üzemelő nehéz mezőgazdasági munkagépek általános alkalmazása. Az ilyen megoldásokra kívánunk néhány példát bemutatni.

SOROS HIBRID HAJTÁS

Amikor a dízelmotor villamos áramfejlesztőt hajt, és a járművet az előállított villamos energiával működtetik, akkor soros hibrid hajtásrendszerről beszélünk.

RigiTrac WD 120
2. kép. RigiTrac WD 120 típusjelzésű, soros, 91 kW-os hibrid hajtású traktor (forrás: www.reo-it.de)

RigiTrac WD 120 típusjelzéssel tíz évvel ezelőtt a svájci Schweizer Traktorenherstellers Sepp Knüsel családi kisvállalkozás bemutatta az azóta is gyártásban levő, soros hibrid hajtású traktort, amellyel 20-25% hajtóanyag-megtakarítás érhető el (2. kép). A 650 VDC villamos generátort 91 kW teljesítményű dízelmotor működteti. Az összkerékhajtású és négykerék-kormányzású traktort 4 db 33 kW teljesítményű villanymotor hajtja. A kerekekbe épített villanymotorokkal és a kerekek hidropneumatikus rugózásával optimális vonóerő-kifejtés biztosítható. A traktor haladási sebessége 0–65 km/h.

Merlo Turbofarmer 40.7 hibrid elnevezéssel, 8 évvel ezelőtt, elsőként az olasz vállalat készített teleszkópos rakodót soros hajtásrendszerrel (3. kép).

Merlo Turbofarmer 40.7
3. kép. Merlo Turbofarmer 40.7 soros, hibrid, teleszkópos rakodógép (forrás: www.merlo.de)

A rakodógép 4000 kg maximális terhet 7,1 méter magasra képes felemelni, és maximálisan 40 km/h haladási sebességre képes. Az 50 kW (75 LE) teljesítményű, négyhengeres dízelmotor a villamos generátort és az emelőgép hidraulika-rendszerének szivattyúját hajtja. A rakodógép előre-hátra mozgatását egy villanymotor végzi, mechanikus sebességváltón keresztül, mind a négy kerékkel, tengelyenként differenciálművel. A soros hajtásrendszer, mivel a gép30 kWh névleges kapacitású lítiumion-akkumulátoregységgel is rendelkezik, képes közel két órán keresztül csak elektromosan (álló dízelmotorral) üzemelni. Az akkumulátor hálózatról is feltölthető. A gyártó vállalat azt állítja, hogy a dízel-villamos soros hibrid hajtásrendszerrel a hajtóanyag-fogyasztás 30 százalékos megtakarítása érhető el.

John Deere a 944 K típusjelzéssel a gyártó egy soros hibrid hajtású, nagy teheremelésű kerekes rakodót készített, amelyet a John Deere PowerTech PSS 6135 típusú, 13,5 literes, 400 kW (536 LE) teljesítményű hathengeres, turbófeltöltésű dízelmotor működtet (4. kép).

John Deere 944 K
4. kép. John Deere a 944 K típusjelzésű soros, hibrid hajtású rakodógép (forrás: www.deere.com/en/construction)

A dízelmotor a váltakozóáramú villamos generátorhoz és a hidraulika-rendszer szivattyújához kapcsolódik. A járókerekeket villanymotor/generátoregység hajtja, illetve fékezi. A rendszer nem tartalmaz villamosenergia-tárolót, és hosszú lejtmenetben a kerékvillanymotorok generátorként működtetve villamos energiát termelnek, amelyet ellenálláson fogyasztanak el (nincs visszatáplálás). A fékhatást a generátorok vezérlésével lehet szabályozni. Az elektromos rendszert hat darab JD gyártmányú inverteren keresztül szabályozzák. Ezzel az egyszerű soros hibrid hajtásrendszerrel 15-20%-os hajtóanyag-fogyasztás takarítható meg.

A klimatizált kényelmes fülkében a vezető a bal oldali joystickkal kormányozza a gépet, a botkormány tetején lévő gombokkal szabályozza a sebességet és a tartós fékerőt, a jobb oldali két kicsi joystickkal pedig az emelést és a kanál mozgását vezérli.

PÁRHUZAMOS HIBRID HAJTÁS

Amikor a dízelmotor mechanikusan működteti járművet, de erre az erőátvitelre villamos hajtás is rádolgozik, az akkumulátorban tárolt villamos energia felhasználásával, akkor párhuzamos hibrid hajtásrendszerről beszélünk.

Az Antonio Carraro SRX Hybrid típusjelzésű új olasz kompakt traktor 55 kW (75 LE) teljesítményű, 3 hengeres,1861 cm3 lökettérfogatú, turbós dízelmotorral rendelkezik (5. kép).

Antonio Carraro SRX Hybrid
5. kép. Az Antonio Carraro SRX Hybrid típusjelzésű új olasz kompakt traktor (forrás: www.antoniocarraro.it)

A dízelmotor és a sebességváltó közé egy 20 kW-os villanymotort iktattak be, amelyet hálózatról tölthető lítiumion-akkumulátorról lehet nagy igénybevétel esetén hajtani. A hibrid-elektromos rendszernek köszönhetően a traktor kiváló indítási teljesítménnyel és folyamatosan 75 kW (102 LE) nagyságú teljesítménnyel rendelkezik, amellyel például permetezőgépek, vágógépek és terhelt pótkocsik biztonságosan üzemeltethetők.

Landini REX4 Electra hibrid elnevezéssel az Argo Tractors Spa cég egy egyedi megoldású, párhuzamos hibrid hajtásrendszerű traktort készített (6. kép).

Landini REX4 Electra
6. kép. Landini REX4 Electra hibrid elnevezésű traktor (forrás: www.argotractors.com)

Az alap kialakítású, zöldség- és gyümölcstermesztésnél alkalmazható traktor81 kW (110 LE) teljesítményű dízelmotorral és hátsókerékhajtással rendelkezik. A hibridizálás során a dízelmotor és a sebességváltó közé egy villamos generátort iktattak be, és az első kerekekre külön-külön 12 kW (16 kW csúcs-) teljesítményű kerékagy-villanymotort szereltek.

Az elektromos rendszert kiegészítették egy lítiumion-akkumulátoregységgel és vezérlőteljesítmény-elektronikával. Az elektromos rendszer csúcsterhelés esetén az első kerekek hajtásával rásegít a vonóerő növelésére. A vonóerő növelése mellett féküzemben az energia-visszatáplálást, szűk forduló esetén pedig a kormányozhatóságot is segíti ez a párhuzamos hibrid rendszer.

TELJESEN VILLAMOS HAJTÁSRENDSZER

Teljesen villamos hajtásrendszernek nevezzük azt a megoldást, amikor csak villamos energiával üzemeltetjük a járművet. Számos gyártmány létezik ilyen hajtásrendszerrel, de ezek vagy alacsony teljesítményigényűek, vagy szakaszosan üzemelnek, és a munkavégzéshez szükséges villamos energia elérhetősége logisztika segítségével biztosítható (pl. városi, majori, udvari, telepi stb. munkák esetén).

A Fendt e100 Vario típusjelzésű elektromos kompakt traktort öt évvel ezelőtt mutatták be (7. kép).

Fendt e100 Vario
7. kép. Fendt e100 Vario típusjelzésű elektromos kompakt traktort (forrás: www.fendt.com)

A tisztán villamos traktornak 50 kW-os a hajtásrendszere, és a villamos energiát nagy teljesítményű, 100 kWh-s lítiumion-akkumulátor szolgáltatja. A traktorhoz kapcsolt munkagépek TLT-igé nyét elektromosan és hidraulikusan is képes kiszolgálni a rendszer. A traktor sorozatgyártásának megkezdése a Covid-járvány miatt 2024-re húzódik el. Míg az erőgép a bemutatásakor 400 V-os fedélzeti hálózattal rendelkezett, a mostani továbbfejlesztett változat már 700 V-ot használ.

Az akkumulátor töltése szabványos, 23 kW-os CCS-aljzatról vagy egyenáramú szupertöltőről történik. A Fendt e100 Vario traktor lítiumion-akkumulátoregysége 600 kg tömegű és 300 liter térfogatú. Az egy teljesen feltöltött akkumulátorban tárolt villamos energia körülbelül 4 órás üzemeltetéshez elegendő.

A Siloking eTruck 1408 típusjelzésű, német gyártmányú takarmánykeverő és -kiosztó önjáró mezőgazdasági gép 100%-ban elektromos működésű (8. kép).

Siloking eTruck
8. kép. Siloking eTruck 1408 takarmánykeverő és -kiosztó önjáró gép (forrás: www.siloking.com/en)

A 8 m³, 10 m³ és 14 m³-es nagyságban készülő gép hajtó- és keverőegységének üzemeltetése villanymotorokkal történik, ami tiszta, károsanyagkibocsátás-mentes és zajcsökkentett adagolást tesz lehetővé. A 15 kW-os keverőhajtás garantálja a körbálák feldarabolását, a homogén keveréket és a gyors ürítést. A hátsó ikerkerékkel kormányzott gép haladását az első tengelybe beépített 18 kW-os motor végzi, két sebességtartományban fokozatmentes szabályozással, max. 20 km/h sebességig. A kevés karbantartást igénylő ólom-savas akkumulátorok kapacitása úgy van megválasztva, hogy a gép egy feltöltéssel több mint öt keverési ciklust tudjon teljesíteni.

Doosan Bobcat T7X
9. kép. A Bobcat T7X, teljesen villamos gumihevederes rakodógép (forrás: www.bobcat.com/company-info/innovation)

A Doosan Bobcat T7X típusjelzésű, amerikai gyártású csúszókormányzott rakodógép (9. kép) a világon első abban a tekintetben, hogy minden vonatkozásban elektromos üzemeltetésű, még a munkahengerek tekintetében is. Az újgenerációs, ilyen tervezésű univerzális traktor 20-25 különböző villanymotort, 10-15 darab inverteregységet és igen nagy kapacitású akkumulátort (vagy üzemanyagcellát) fog tartalmazni. A szakembereknek néhány év alatt fel kell készülniük ennek a technikának a fogadására és üzemeltetésére.

Dr. Varga Vilmos ny. okl. gépész- és villamosmérnök