Elettrificazione in agricoltura seguiamo la corrente

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1 Anche i costruttori di trattori stanno studiando l applicazione di dispositivi elettrici di Riccardo Biondini, Michele Mattetti e Giovanni Molari - Distal, Università di Bologna giovanni.molari@unibo.it Elettrificazione in agricoltura seguiamo la corrente L Foto 1 - John Deere 7530 E Premium (da: 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). 36 terra vita

2 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, G Generatore Convertitore DC/DC 12 V DC Prototipi Belarus, ZF e Fendt Fig. 1 - Schema del sistema John Deere E-Premium* M Batteria 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 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, Centralina Distributori ausiliari Batteria PTO e Ruote 3 Motore a combustione interna Generatore Trasmissione terra vita 37

3 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, 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.»»» Un esempio è il sistema di moto- 38 terra vita

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5 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 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. n