Co znajdziesz w artykule?
Współczesne tendencje do ograniczania użycia paliw kopalnych nie omijają również rolnictwa. Z tego powodu coraz częściej mówi się o zastąpieniu klasycznego silnika spalinowego w ciągnikach i samobieżnych maszynach innymi bardziej ekologicznymi rozwiązaniami.
Alternatywne źródła energii w pojazdach i maszynach rolniczych – perspektywy rozwoju
Producenci silników spalinowych cały czas modernizują jednostki napędowe nie tylko pod kątem spełniania bardzo rygorystycznych norm emisji spalin. Wysiłki inżynierów widać też w możliwości zasilania silników nowymi paliwami. Pojawiają się jednak przy tym pewne obawy o wydajność i bezproblemowość nowych rozwiązań. W artykule postaramy się przedstawić alternatywne źródła energii w pojazdach i maszynach rolniczych oraz omówić perspektywy ich rozwoju.
Po co zastępować olej napędowy?
Rozważania na temat alternatywnych źródeł energii w ciągnikach należy rozpocząć od odpowiedzi na pytanie, dlaczego zaszła potrzeba wprowadzania takich zmian. Odpowiedź jest prosta: są one efektem globalnej tendencji do ograniczania korzystania ze źródeł energii pochodzących z paliw kopalnych.
Celem takiego zabiegu jest ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, a zwłaszcza dwutlenku węgla. To właśnie z tego powodu w branży samochodowej dokonuje się rewolucja związana z zastępowaniem silnika spalinowego napędami hybrydowymi, a finalnie czysto elektrycznymi.
Jednakże to, co już zaczyna sprawdzać się w warunkach drogowych, niekoniecznie sprawdzi się w odniesieniu do maszyn rolniczych. Główną przeszkodą dla upowszechnienia napędu elektrycznego w ciągnikach rolniczych jest bowiem znikomy (jak na rolnicze warunki) czas eksploatacji na jednym ładowaniu oraz długi okres ładowania baterii.
To z kolei stawia wyzwania dla konstruktorów sprzętu rolniczego w zakresie zastąpienia napędu tradycyjnego. Obecnie obserwuje się kilka potencjalnych dróg rozwoju rozwiązań, które miałyby zastąpić klasyczny silnik Diesla zasilany olejem napędowym.
Zasilanie gazem ziemnym
Jednym z rozwiązań, które może okazać się szczególnie praktyczne w warunkach rolniczych, jest zastosowanie do zasilania silnika spalinowego gazu ziemnego, którego głównym składnikiem jest metan. Pierwszym na świecie seryjnym przykładem tego rozwiązania jest ciągnik New Holland T6.180 Methane Power. Ciągnik ten jest wyposażony w 6-cylindrowy silnik spalinowy o mocy 175 KM, zasilany sprężonym gazem ziemnym (CNG – Compressed Natural Gas).
Głowna zaleta – obniżenie emisji szkodliwych związków w spalinach
Główną zaletą tego rozwiązania jest obniżenie emisji szkodliwych związków w spalinach, ponieważ metan jest znacznie czystszym paliwem w porównaniu do oleju napędowego. Szacuje się, że łączne ograniczenie zanieczyszczeń może dojść do nawet 80%. To z kolei, oprócz dbałości o środowisko, umożliwia dodatkowo zmniejszenie licznych elementów odpowiedzialnych za oczyszczanie spalin. Ciągnik wyposaża się w taki silnik bez potrzeby rozbudowanego systemu redukcji szkodliwych związków (np. systemu AdBlue); wystarczy jedynie trójdrożny katalizator.
Niezależność energetyczna
Standardowo ciągnik jest wyposażony w zbiornik mieszczący 185 litrów sprężonego metanu, zaś opcjonalnie może mieć z przodu zamontowany dodatkowy zbiornik o pojemności 270 litrów. Dodatkową zaletą ciągnika zasilanego gazem ziemnym jest możliwość wytwarzania tego paliwa bezpośrednio w gospodarstwie lub w biogazowniach w pobliżu gospodarstw. Jest to jeden z głównych elementów programu Energy Independent FarmSM, w którym uczestniczy New Holland (koncern jest określany mianem Lidera Czystej Energii – Clean Energy Leader). Program ten zakłada, że gospodarstwa są bardziej niezależne energetycznie, np. poprzez zastosowanie uprawianych roślin oraz produktów odpadowych do produkcji biopaliw.
Jak LNG zmienia rynek ciągników
Model T6.180 Methane Power ma już ugruntowaną pozycję m.in. na rynku niemieckim, gdzie występuje duża liczba biogazowni rolniczych. Inny przykład ciągnika zasilanego metanem to zaprezentowany w 2022 roku New Holland T7 Methane Power, który jest rozwinięciem idei modelu T6. Jednak w odróżnieniu od mniejszego modelu, jest on zasilany metanem w postaci ciekłej (LNG – Liquid Natural Gas).
Paliwo to może być produkowane z gnojowicy lub obornika. LNG zapewnia lepszy zasięg, ponieważ skroplony gaz ma kilkukrotnie większą gęstość energii w porównaniu do paliwa w stanie gazowym. To z kolei zapewnia zakumulowanie większej ilości energii w określonej pojemności, co daje większy zasięg ciągnika w porównaniu z paliwem CNG. W modelu T7 Methane Power zamontowano silnik o mocy maksymalnej 270 KM, z tzw. aktywnym wtryskiem paliwa. W rozwiązaniu tym dawka i moment wtrysku są dobierane na podstawie temperatury.
Z racji bardziej agresywnego oddziaływania paliwa LNG w porównaniu do oleju napędowego, ciągnik z systemem LNG musi być wyposażony w zbiornik wykonany z odpowiedniego materiału. W przypadku modelu T7 Methane Power zastosowano zbiornik ze stali nierdzewnej.
Innowacyjny napęd w prototypie Auga M1: Wymienne butle i hybrydowy system
Nieco inną koncepcję napędu z wykorzystaniem CNG zastosowano w ciągniku litewskiej marki Auga Group. Firma ta jest jednym z największych litewskich przedsiębiorstw w branży rolnej. Podążając za trendami ograniczania negatywnego wpływu na środowisko, opracowano prototypowe rozwiązania ciągników zasilanych metanem. W zaprezentowanym prototypie o oznaczeniu M1 zastosowano silnik spalinowy o mocy 400 KM zasilany sprężonym biometanem.
Nowatorskim rozwiązaniem było opracowanie specjalnej konstrukcji zbiornika z wymiennym wkładem gazowym (butlą). Ideą było umożliwienie szybkiej wymiany całego wkładu, który wcześniej jest naładowany biometanem w biogazowni. To znacząco skraca czas tankowania, eliminując potrzebę czasochłonnego ładowania zbiornika w ciągniku. Wystarczy jedynie dostarczyć naładowaną wcześniej butlę. Eliminuje to jedną z głównych wad systemu CNG, jaką jest długi czas tankowania gazu, co ma związek z koniecznością jego sprężania.
W przypadku prototypu Auga M1 pojemność butli jest dość duża, ponieważ jak deklaruje wytwórca, ciągnik może przepracować nawet 12 godzin na jednej butli. Nowatorskim rozwiązaniem w ciągniku Auga jest również sposób przekazania napędu. Nie ma tu klasycznego układu napędowego, a jest układ hybrydowy w postaci generatora energii elektrycznej (napędzanego przez silnik spalinowy) oraz zasilanych z niego silników elektrycznych przy kołach.
Główną zaletą jest w tym przypadku możliwość wykorzystywania takiej wielkości energii, jaka jest aktualnie potrzebna, zaś nadmiar energii jest magazynowany w akumulatorach i wykorzystywany np. przy nagłym wzroście obciążenia zewnętrznego.
Wodór paliwem przyszłości w rolnictwie?
W rolnictwie, podobnie jak w motoryzacji, wodór cieszy się dużym zainteresowaniem ze strony konstruktorów. Na wstępie zaznaczyć należy, iż istnieją dwie główne drogi zastosowania wodoru do napędu ciągników i maszyn:
- Zasilanie wodorem silnika spalinowego o spalaniu wewnętrznym. Silnik taki pomimo procesu spalania jest zeroemisyjny, ponieważ produktem spalania jest para wodna.
- Wykorzystanie tzw. ogniw wodorowych, w których energia wodoru jest zamieniana na energię elektryczną, która jest następnie wykorzystywana do zasilania silników elektrycznych napędzających koła i WOM.
Prace rozwojowe nad silnikami spalinowymi na wodór
Jeśli chodzi o silniki spalinowe zasilane wodorem, to jako przykład można wymienić firmę JCB, która od kilkunastu lat prowadzi prace rozwojowe nad możliwością wykorzystania wodoru do napędu maszyn rolniczych i budowlanych. Co prawda firma JCB prowadziła równolegle prace nad wykorzystaniem energii elektrycznej do napędu maszyn, jednak przyznano, że takie rozwiązanie jest dobre dla maszyn o małych mocach, lecz okaże się niewystarczające, jeśli chodzi o maszyny poddawane dużym zmiennym obciążeniom oraz takie, które wymagają wielogodzinnej pracy bez konieczności ładowania. Stąd też pojawiła się potrzeba rozwoju silników spalinowych wodorowych.
Wyzwania techniczne i bezpieczeństwo
Głównym problemem, jaki można było napotkać, nie była jedynie konstrukcja samego silnika spalinowego, lecz zapewnienie bezpieczeństwa tankowania i przechowywania wodoru. Należy bowiem zaznaczyć, że wodór jest łatwopalny oraz wybuchowy, a jednocześnie sprawia duże problemy przy magazynowaniu. Małe cząsteczki są podatne na ulatnianie. Szczególną uwagę należało poświęcić odpowiednim materiałom i konstrukcji zbiorników.
Przykłady rozwiązań od firmy JCB
Jeśli chodzi o sprzęt rolniczy produkowany przez firmę JCB, to wymienić można wodorową ładowarkę teleskopową Loadall. Ponadto w firmie JCB opracowano również mobilną stację ładowania wodoru bazującą na ciągniku Fastrac 4220. Ideą takiej maszyny było zapewnienie dostarczania wodoru do miejsca pracy maszyny zamiast konieczności przerywania pracy i jazdy do stacji ładowania. Takie rozwiązanie może zatem okazać się szczególnie przydatne w warunkach rolniczych.
Napęd wodorowy w ładowarkach teleskopowych
Ponadto należy zaznaczyć, że napęd wodorowy w ładowarkach teleskopowych ma jeszcze jedną ważną zaletę. Mianowicie takie ładowarki mogą przez dłuższy czas pracować wewnątrz pomieszczeń inwentarskich czy magazynowych, co nie było możliwe w przypadku maszyn z silnikami spalinowymi z uwagi na emisję szkodliwych związków.
Ogniwa wodorowe w maszynach rolniczych: Przykład New Holland i Fendt
Jeśli chodzi o napęd maszyn rolniczych za pomocą ogniw wodorowych, to jednym z pierwszych, wówczas dość futurystycznych, rozwiązań był koncepcyjny ciągnik New Holland NH2, którego pierwsza wersja została zaprezentowana już w 2009 roku. Ciągnik został wyposażony w wodorowe ogniwa paliwowe, zbiornik wodoru oraz silniki elektryczne, zatem był de facto pojazdem elektrycznym. W omawianym prototypie główną wadą był krótki okres pracy ciągnika oscylujący wokół 2–3 godzin. Dlatego też kilka lat później New Holland zaprezentował wersję rozwojową modelu NH2, w której zastosowano większe zbiorniki na wodór oraz większą liczbę ogniw paliwowych.
Nowoczesne technologie w ciągnikach: Fendt H2Agrar
W 2023 roku Fendt oficjalnie zaprezentował ciągnik wodorowy. Podobnie jak w omawianym prototypie firmy New Holland, w ciągniku tym zastosowano ogniwa wodorowe oraz napęd elektryczny. Wodór magazynowany jest w kilku butlach zamontowanych na dachu kabiny ciągnika. Jest to jedna z dwóch cech, które z zewnątrz pozwalają odróżnić taki ciągnik od ciągnika o klasycznym napędzie. Drugą cechą jest brak rury wydechowej, ponieważ taki ciągnik nie posiada już klasycznego silnika spalinowego. Zaprezentowany przez Fendta ciągnik jest częścią realizowanego w Niemczech projektu H2Agrar, który zakłada dofinansowanie do rozwoju infrastruktury wodorowej oraz produkcję wodoru ze źródeł odnawialnych.
