„Elektryki” w gospodarstwie

Od dłuższego czasu w ogrodnictwie dość powszechnie są wykorzystywane maszyny akumulatorowe. W branży budowlanej niemal wszystkie elektronarzędzia z zasilaniem sieciowym mają swoje odpowiedniki w wersji akumulatorowej. W ostatnich latach pojawia się też coraz więcej pomysłów związanych z wykorzystaniem napędu elektrycznego w rolniczych środkach technicznych.

Ciągły postęp technologiczny i rozwój produkcji masowej sprawia, że wytwarzane akumulatory charakteryzują się coraz większą pojemnością i wydajnością, a jednocześnie są coraz mniejsze i relatywnie tańsze.

Ciągnik na baterie

Producenci silników spalinowych muszą spełniać coraz wyższe normy dotyczące ograniczenia emisji substancji szkodliwych do atmosfery. W przypadku użytkowania silników elektrycznych, brak jest emisji zanieczyszczeń do środowiska naturalnego, co w obecnych czasach zaczyna odgrywać coraz większe znaczenie. Są też prostsze w budowie, mniejsze są koszty ich eksploatacji, większa trwałość i można nimi łatwo sterować. Silnik elektryczny charakteryzuje się też największą efektywnością zamiany energii, ponieważ jego sprawność wynosi przynajmniej 90 proc., natomiast w przypadku silników spalinowych około 60 proc. zużywanego paliwa jest zamieniane na ciepło. Pojazdy z silnikiem elektrycznym są bardzo ciche, a energia elektryczna może być też wytwarzana w gospodarstwie między innymi ze słońca czy wiatru. W 2017 r. amerykańska firma John Deere zaprezentowała ciągnik elektryczny SESAM (Sustainable Energy Supply for Agricultural Machines), całkowicie zasilany z akumulatorów. Prototyp został zbudowany na podwoziu ciągnika serii 6R z Mannheim i zaopatrzony w akumulatory z ogniwami litowo­jonowymi o pojemności 130 kWh pracujące przy napięciu 670 V. Do napędu ciągnika wykorzystane zostały 2 silniki elektryczne o mocy 130 kW każdy, z których jeden napędza układ jezdny, a drugi WOM oraz układy pomocnicze: pompy hydrauliki, układ chłodzenia, sprężarkę klimatyzacji oraz kompresor. System pojazdu został tak opracowany, aby w razie potrzeby obydwa silniki połączyły się i mogły dostarczyć pełną moc do prac polowych lub transportowych. Prototyp ma też pełen zakres prędkości od 3 do 50 km/h. System SESAM umożliwia odzyskiwanie energii podczas hamowania i zjazdu ze wzniesienia. Podczas standardowego użytkowania przy częściowym obciążeniu, jedno naładowanie akumulatorów wystarcza na około  4 godziny pracy, lub na przejechanie dystansu do 55 km. Czas ładowania jest uzależniony od dostępnej infrastruktury i przy ładowaniu mocą 40 kW wynosi nieco ponad 3 godz. Firma Fendt w ostatnich kilku latach bardzo intensywnie rozwija konstrukcję ciągnika elektrycznego e100 Vario. W ciągniku zastosowane zostały akumulatory litowo­jonowe o pojemności 100 kWh. Ładowanie akumulatorów może być wykonywane ładowarkami prądu stałego (gniazdo DC – ładowanie szybkie, czas ładowania około 40 minut do 80 proc. pojemności) lub prądem  o napięciu 400 V i natężeniu do 32 A, co daje moc ładowania około 22 kW  i umożliwia pełne naładowanie w ciągu 5 godzin. W pełni naładowany akumulator pozwala wykonywać prace pod dużym obciążeniem przez około 3 godziny, natomiast prace lżejsze przy wykorzystywaniu mocy silnika do poziomu 50 kW przez około 5 godzin. Ciągnik jest już po testach eksploatacyjnych, które obejmowały wykonywanie różnych prac polowych w gospodarstwie rolnym. Był wykorzystywany do prac z maszynami napędzanymi od WOM (wóz paszowy, przetrząsacze i zgrabiarki do zielonki) i maszynami napędzanymi od układu hydrauliki zewnętrznej. Ciągnik był też oceniany przy pracach komunalnych. Wykonywanie licznych testów eksploatacyjnych pozwala ocenić zastosowane rozwiązania i jest podstawą do dalszego doskonalenia konstrukcji. Dużą uwagę przywiązuje się do zwiększenia uniwersalności wykorzystania tego typu ciągnika.

Jakie są wady?

Na obecnym etapie rozwoju konstrukcji ciągników z napędem elektrycznym daje się zauważyć szereg niedogodności. Zasadniczą wadą zastosowania napędu elektrycznego w ciągnikach rolniczych jest konieczność zmagazynowania znacznych ilości energii, co wymaga zastosowania dużej liczby ciężkich akumulatorów. Kolejne ograniczenia to bardzo duże koszty zakupu nowych akumulatorów oraz mała liczba godzin pracy na jednym pełnym ich naładowaniu. Czas ładowania akumulatorów wynosi zazwyczaj kilka godzin, co przy konieczności dotrzymania terminów agrotechnicznych jest raczej nie do przyjęcia. Z kolei szybkie ładowanie skraca żywotność akumulatorów, bo zachodzą w nich nieodwracalne zmiany chemiczne, co skutkuje zmniejszeniem liczby cykli pracy z około 600­800 do 50. W związku z tym, producenci ograniczają szybkość ładowania, aby zachować żywotność akumulatorów przez rozsądną liczbę cykli. Pewien optymizm wnoszą prace badawcze dotyczące zmiany sposobu szybkiego ładowania akumulatorów. W opracowywanych nowych metodach ładowania, wykorzystywane są algorytmy sztucznej inteligencji, co pozwala na naładowanie akumulatorów litowo­jonowych w 50 proc. w ciągu 5 minut i w 100 proc. w ciągu 10 minut. Opracowywany nowy sposób szybkiego ładowania akumulatorów litowo­jonowych skraca znacząco czas ładowania bez powodowania trwałego uszkadzania ich wnętrza. Gdy nowe technologie ładowania oraz niezbędna infrastruktura znajdą zastosowanie w praktyce, to będzie możliwe naładowanie akumulatorów np. podczas przerwy śniadaniowej czy obiadowej i dalsze kontynuowanie pracy.

Maszyny już pracują

Jednym z przykładów maszyny napędzanej elektrycznie jest samobieżny wóz paszowy firmy Siloking – TruckLine e.0. Napędzana energią elektryczną maszyna może być wyposażona w zbiorniki o pojemnościach 8 i 10 m³ z jednym mieszadłem ślimakowym lub 14 m³ z dwoma ślimakami. Wszystkie czynności związane z mieszaniem, przejazdami i zadawaniem paszy są wykonywane z udziałem napędów elektrycznych zasilanych z akumulatora kwasowo­ołowiowego. W modelach ze zbiornikami o pojemności 8 i 10 m³ ma on w wersji standardowej pojemność 465 Ah, a w pakiecie heavy­duty 620 Ah. Model ze zbiornikiem 14 m³ jest zasilany akumulatorem o pojemności 620 Ah, a w pakiecie heavy­duty 775 Ah. Do rozdrabniania bel cylindrycznych, mieszania dawki i zadawania paszy jest wykorzystywany silnik elektryczny o mocy 15 kW. Do napędu układu jezdnego jest wykorzystywany drugi silnik o mocy 18 kW, który został wbudowany w przednią oś. W samobieżnym wozie paszowym producent zastosował dwuzakresową bezstopniową skrzynię biegów, która pozwala na jazdę z prędkością do 20 km/h. Według danych firmy Siloking, zastosowanie w wozie paszowym napędów elektrycznych daje możliwość zmniejszenia kosztów eksploatacji i konserwacji w porównaniu
z silnikiem wysokoprężnym. Jedno naładowanie standardowego akumulatora wystarczy na wykonanie trzech pełnych cykli roboczych. W przypadku, gdy użytkownik ma większe wymagania i wybrał akumulator o większej pojemności, może wykonać pięć cykli roboczych.

Napęd elektryczny w ładowarkach

Firma Weidemann od 2015 r. produkuje seryjnie ładowarkę z napędem elektrycznym o symbolu „1160 eHoftrac”. Maszyna została wyposażona w kwasowo­ołowiowy akumulator wykonany z zastosowaniem technologii AGM. Symbol „AGM” oznacza „Absorbent Glass Mat”, czyli konstrukcję akumulatora, w którym pomiędzy płytami ołowianymi są umieszczone maty ochronne nasycone elektrolitem, co zwiększa moc i wydajność przy takiej samej pojemności. Akumulator o zamkniętej konstrukcji jest odporny na wycieki i został wyposażony w jednokierunkowy zawór ciśnieniowy, który otwiera się z chwilą nadmiernego wzrostu ciśnienia w jego wnętrzu – np. podczas przeładowania akumulatora. Powstałe gazy są odprowadzane na zewnątrz, co zapobiega rozsadzeniu obudowy. Akumulator w technologii AGM jest mniej wrażliwy na zmiany temperatury i nagrzewanie się podczas ładowania. Zaletą jest też to, że nie jest konieczne uzupełnianie wody destylowanej. W zależności od rodzaju wykonywanych prac, pełne naładowanie akumulatora wystarcza na około 2 godz. pracy. Producent oferuje dwa akumulatory o różnej pojemności. Standardowy o parametrach 48 V i pojemność 240 Ah oraz mocniejszy o napięciu 48 V i pojemności 310 Ah. Akumulator w technologii AGM ma również zintegrowane urządzenie ładujące, w związku z tym nie jest już potrzebny dodatkowy prostownik. Ładowanie jest możliwe z dowolnego gniazdka o napięciu 230 V. Technologia AGM umożliwia doładowywanie akumulatora w dogodnym czasie, a wykonywanie doładowań pośrednich zwiększa jego wydajność. Nowy rodzaj akumulatorów można zamontować w każdej maszynie, która jest już użytkowana przez klienta, a ich żywotność jest przewidziana na około 2500 godz. pracy. Według danych producenta, koszty zakupu ładowarki eHoftrac są o około 20 proc. większe od porównywalnych maszyn z silnikiem wysokoprężnym. Zwiększony wydatek amortyzuje się po około 2800 godzinach pracy ładowarki eHoftrac. Dodatkowym zyskiem jest redukcja emisji spalin o 43 proc.. Gdyby uwzględnić ładowanie akumulatorów z własnej instalacji fotowoltaicznej, to efekty mogą być jeszcze bardziej zachęcające. Obecna na polskim rynku maszyn rolniczych firma Schäffer ma w swojej ofercie kompaktową ładowarkę przegubową z napędem elektrycznym o symbolu „23E”. Maszyna jest wyposażona w dwa silniki elektryczne wysokiego napięcia, które napędzają układ jezdny
i hydrauliczny. Silnik do napędu układu jezdnego ma moc 21 kW, co pozwala ładowarce rozwijać prędkość do 20 km/h. Drugi silnik jest wykorzystywany do napędu układu hydrauliki roboczej i ma moc 9,7 kW. Producent do maszyny oferuje dwa pakiety litowo­jonowych akumulatorów oraz dwie opcje ich ładowania. Standardowe wyposażenie obejmuje akumulator z napięciem 260 V i pojemności 6,7 kWh, który według danych firmy Schäffer może zasilać silniki przez około 2,5 godziny, co pozwala na wykonywanie większości prac w obrębie gospodarstwa. W drugiej opcji pojemność akumulatora wynosi 13,4 kW i pozwala na podwojenie czasu pracy ładowarki. Na życzenie użytkownika, montaż akumulatorów o większej pojemności, może być wykonany w dowolnym czasie. Zastosowane akumulatory litowo­jonowe charakteryzują się długim okresem eksploatacji ponieważ mają gwarancję producenta na 5000 cykli ładowania lub na okres 5 lat użytkowania. Mogą być też doładowywane w dowolnym momencie bez wpływu na ich trwałość. Akumulatory litowo­jonowe są też całkowicie bezobsługowe i niezawodne w niskich temperaturach, co gwarantuje bezproblemowe wykonywanie prac w różnych warunkach atmosferycznych. Maszyna została standardowo wyposażona w szereg rozwiązań ułatwiających użytkowanie oraz w urządzenie ładujące akumulatory prądem 16 A/3 kW ze zwyczajnego gniazdka o napięciu 230V. W tej opcji można w 80 proc. naładować akumulatory w czasie około dwóch godzin. Możliwe jest też wykonanie szybkiego ładowania akumulatora za pomocą ładowarki zewnętrznej pod napięciem 400 V. W takim przypadku standardowy akumulator do 80 proc. można naładować w zaledwie 15 minut.

Cały tekst można przeczytać w wydaniu 05/2021 miesięcznika „Przedsiębiorca Rolny”

dr hab. Ireneusz Kowalik

UP w Poznaniu

Fot. archiwum, firmowe