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Anno 2018 Numero 1

Tecnica
gennaio 2018

Trazione elettrica in agricoltura, un tema di prospettiva

L'industria della meccanica agricola sta investendo significative risorse per sviluppare motori elettrici in grado di sostituire, nel tempo, quelli alimentati con combustibili d'origine fossile. La potenza motoristica adeguata e la durata della carica delle batterie rappresentano una sfida ancora molto impegnativa dal punto di vista tecnico. Soluzioni efficaci, maturabili in tempi più brevi, si prospettano invece per i sistemi ibridi

Con tutta probabilità, trent’anni fa pochi immaginavano che i trattori di oggi sarebbero stati in grado di operare in campo senza l’ausilio del conducente (grazie alla guida satellitare) e sarebbero stati capaci di pilotare attrezzature in grado di effettuare lavorazioni sito-specifiche, nonché di adeguare automaticamente la velocità di avanzamento in campo in funzione della miglior qualità del lavoro (con l’ISOBUS). Eppure, tutto questo è ormai una realtà consolidata.

Piuttosto, ci si aspettava un’evoluzione, magari anche radicale, delle tipologie di fonti energetiche da sfruttare, con il progressivo decremento dei combustibili di origine fossile, analogamente a ciò che sta avvenendo in ambito automotive, dove (seppur a piccoli passi) le vetture ibride e quelle integralmente elettriche hanno iniziato a conquistare quote di mercato percepibili.

Nonostante qualche tentativo iper-sperimentale, e al massimo qualche modello a livello di prototipo, fino ad oggi la strada per mettere a punto un trattore di potenza medio-alta, che possa lavorare continuativamente per almeno 10-12 ore grazie alla sola energia elettrica accumulata a bordo (e contestualmente permetta di essere ricaricato in tempi accettabili), sembra però ancora piuttosto impegnativa.

 

Il SESAM di John Deere

Allo scorso SIMA di Parigi John Deere ha presentato SESAM, un trattore elettrico di potenza elevata, dotato di un pacco batterie agli ioni di litio della capacità di 150 kWh e mosso da due motori da 150 kW di potenza. Per la ricarica totale delle batterie ci vogliono 3 ore, mentre la scarica completa (con i motori impegnati al 100%) avviene in 30 minuti. è pur vero che le condizioni di lavoro reali si discostano a volte anche di molto da questa situazione limite, ma ad esempio le arature o le rippature, per contro, ci si avvicinano molto.

 

L’e100 Vario di Fendt

Più recentemente Fendt ha presentato alla stampa il modello e100 Vario, un concept di trattore compatto completamente elettrico, premiato anche con la medaglia d’argento al concorso Innovation Award di Agritechnica 2017. Si tratta di un prototipo sviluppato sulla base del Fendt 200 Vario, dove sotto al cofano, al posto del tradizionale propulsore diesel, è stata installata una batteria da 650 V con una capacità di circa 100 kWh, per alimentare un motore elettrico in grado di sviluppare 50 kW.

Con il motore al massimo l’autonomia raggiunge le 2 ore, e in un’operazione come un’aratura probabilmente si arriva a 2,5 ore. Però, solo per un impiego davvero poco impegnativo (come l’andanatura o il rivoltamento del fieno) ci si assicura un’autonomia per poter completare un’intera giornata di lavoro senza rifornimenti (leggi: ricariche). L’adozione di batterie che accettano elevate correnti in fase di ricarica permette però al Fendt e100 Vario di riportare all’80% della sua capacità la batteria in soli 40 minuti.

 

Il problema è la densità di energia

In definitiva, nonostante il significativo progresso tecnologico acquisito soprattutto negli ultimi 20 anni, il limite dal punto di vista tecnologico per lo sviluppo di trattori completamente elettrici risiede nella cosiddetta “densità di energia”, ovvero nella quantità di energia che è ragionevolmente possibile immagazzinare a bordo. Al momento, nessuna batteria riesce ad avvicinarsi alle potenzialità dei combustibili di origine fossile. A termini di paragone, da 1 kg di gasolio è possibile ricavare in condizioni ideali circa 45 MJ; tenendo conto del rendimento reale di un moderno motore Diesel (prudenzialmente stimato nel 33%), significa poter disporre di 15MJ di energia meccanica per ogni kg di gasolio.

Diversamente, 1 kg delle batterie al litio più moderne (di tipo commerciale) possono offrire solo 0,2 MJ. I prototipi più evoluti (al litio solfuro) promettono di raggiungere quasi 1,5 MJ/kg, mentre quelli al litio e cloruro di tionile i 2,5 MJ/kg. Pur ipotizzando motori elettrici e centraline di controllo efficientissimi, che assicurano un rendimento di conversione in energia meccanica del 90%, rimane evidente l’enorme disparità, ovvero che ci si trova di fronte a due ordini di grandezza differenti. Pertanto, la strada ancora da fare per la competitività con i combustibili fossili è decisamente lunga.

 

I costi delle batterie

Ulteriore nodo da sciogliere sono i costi piuttosto elevati delle attuali batterie al litio, nonostante la (facile) previsione di una loro drastica riduzione di prezzo; entro i prossimi 10 anni si prevede una diminuzione dagli attuali 600 dollari/kWh fino a 150 dollari/kW. In ogni caso, considerando le agevolazioni fiscali riservate ai combustibili destinati all’uso agricolo, la competitività economica delle batterie in ambito agricolo si verificherà ben più tardi rispetto al settore automotive.

Ad oggi, le soluzioni commercialmente già disponibili relative a veicoli totalmente elettrici in agricoltura sono limitate a macchine (per lo più operatrici) che devono funzionare anche per lunghi periodi, ma con assorbimenti di potenza limitati, o all’opposto a mezzi che, pur avendo la necessità di utilizzare potenze piuttosto ingenti, sono chiamati ad operare per tempi piuttosto brevi. Appartengono alla prima categoria, ad esempio, i carri agevolatori per la raccolta della frutta e per le potature in vigneto e frutteto, gli ATV (All Terrain Vehicle, anche conosciuti come “Quad”) a batteria di ridotta potenza, e alcuni piccoli robot semoventi per lo sfalcio dell’erba, sia nella manutenzione del verde che nell’interfila dei vigneti e dei frutteti, in qualche caso addirittura integrati con pannelli fotovoltaici per aumentare l’autonomia della macchina.

Nella seconda categoria si possono citare alcuni sollevatori telescopici o i più comuni carrelli elevatori, ma anche il nuovo ed efficiente carro trincia-miscelatore semovente Electra 21 di Supertino, presentato anche all’ultima edizione di Agrilevante a Bari, che ha riscosso davvero molto interesse tra i visitatori. Si tratta di una macchina con cassone da 21 m3 e con due coclee verticali per la trinciatura e la miscelazione, che garantisce un paio d’ore di operatività e necessita di tempi di ricarica di circa 3 ore. Questi “numeri” rappresentano una soluzione più che congrua per le stalle di dimensioni medio-grandi, e che nella gestione risulta essere più economica rispetto ad un analogo modello convenzionale.

Al di fuori di questi particolari ambiti, considerando il livello tecnologico attualmente disponibile in termini di batterie, un’euforia eccessiva per la soluzione elettrica non è al momento giustificabile.

 

Gli attuatori elettrici

In ogni caso, in tempi brevi sui trattori (e le macchine ad essi assimilabili) avverrà probabilmente la sostituzione graduale degli attuatori idraulici con quelli elettrici, non solo in virtù del miglior rendimento, ma soprattutto perché assicurano un controllo più accurato delle operazioni che sovrintendono.

Almeno per il prossimo decennio il “pieno” sui trattori sarà quindi fatto ancora con il gasolio, perché il motore endotermico diesel resterà la soluzione principale, anche se sarà affiancato da propulsori alimentati a metano (sempre più spesso di origine bio), oppure verrà sfruttato l’idrogeno. Entrambi questi carburanti evidenziano però problemi di stoccaggio, e anch’esse non permettono una lunga autonomia alle macchine che le sfruttano.

 

La tecnologia ibrida

Viceversa, il passaggio intermedio rappresentato dai cosiddetti trattori “ibridi” è invece molto prossimo. Esiste già una serie di prototipi (più o meno segreti…) sui quali al classico propulsore diesel è abbinato un motore elettrico, in grado di fornire un surplus di potenza nei momenti di necessità. Al contrario, nei periodi in cui il carico resistente è basso, una parte della potenza generata dal motore endotermico viene stoccata nelle batterie a bordo macchina. In questi casi, come sulle comuni autovetture ibride, quando si ha necessità di una bassa potenza per brevi periodi è sufficiente l’energia stoccata nelle batterie, senza dover avviare il motore endotermico.

I vantaggi degli ibridi sono molteplici: in primis consumano meno combustibile tradizionale, poiché sfruttano il motore endotermico solo in condizioni di rendimento ottimale (ovvero a coppia elevata), e poi consentono una riduzione della cilindrata, perché eventuali picchi di richiesta di potenza per brevi periodi possono essere soddisfatti dalla componente elettrica.

In questo ambito, già dalla fine del 2013 l’italiana Merlo propone il TurboFarmer 40.7 Hydrid, un sollevatore telescopico ibrido con propulsore diesel da 56 kW affiancato da un motore elettrico alimentato tramite batterie al litio della capacità di 30 kWh, che consente tra l’altro alla macchina di lavorare anche solo in modalità “full electric”.

 

La trazione ibrida

Anche la trazione (che è in definitiva il ruolo fondamentale del trattore agricolo) si avvale di soluzioni tecniche miste diesel-elettriche: si tratta di utilizzare il motore endotermico per azionare un generatore elettrico, che provvede poi a fornire ai vari motori elettrici (collocati spesso direttamente sulle ruote e in corrispondenza della presa di potenza) la corrente necessaria per azionarli. Oltre ad avere una fluidità di funzionamento tipica degli attuali CVT, si ottiene anche un rendimento paragonabile a quello delle più semplici trasmissioni idrauliche. Ulteriori vantaggi potrebbero risiedere nel controllo individuale di ogni ruota (con minori slittamenti localizzati) con un conseguente maggior rispetto del soprassuolo (specie nelle manovre in capezzagna), mentre le componenti meccaniche sarebbero alquanto semplificate (i differenziali ad esempio non sarebbero più necessari).

Una soluzione intermedia tra quelle illustrate la sta perseguendo da anni (in modo più o meno riservato) un primario costruttore tedesco, che sta sperimentando una trasmissione a variazione continua dove la componente idraulica viene sostituita con una elettrica, a beneficio di un notevole incremento del rendimento di trasmissione.

Ancora differente è il Battery Boost recentemente sviluppato da John Deere. In pratica, una batteria di elevata capacità sostituisce la zavorra anteriore e si ricarica collegandola alla rete elettrica. Oltre al più accurato bilanciamento del trattore, in tal modo è possibile far conto su una potenza extra (erogabile però per brevi periodi) di 145 Cv (106 kW); si tratta di una soluzione molto comoda per l’esecuzione di lavori gravosi caratterizzati da richiesta di picchi di potenza, come tipicamente sono le arature e, più in generale, tutte le lavorazioni profonde del terreno.

di Davide Facchinetti

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