Változások a traktorok energiaellátásában (7.) – Hidrogénüzemű traktorok 2. rész

Számos példa igazolja, hogy a hidrogénhajtású motorok koncepciója már nem vágyálom, hanem valóság. Az élet több területén, (leginkább a közlekedésben és szállításban) vannak már kedvező tapasztalatok. A mezőgazdaságban is megjelentek már a hidrogénüzemű traktorok. Bár szélesebb körű elterjedtségükről még nem beszélhetünk, azonban „borítékolható”, hogy az idő előrehaladtával az ilyen traktorok száma növekedni fog – leginkább a környezetvédelmi szempontok további erősödése miatt.

Tudott, hogy a hidrogént a traktorok energiaforrásaként két alapvető módon lehet használni. Az előző cikkünkben olyan példákat mutattunk be, amikor a hidrogén közvetlenül vagy adalékként a belsőégésű motorokban elégve hőenergiáját mechanikai energiává alakítják át.

Mostani cikkünkben a másik hasznosítási móddal foglalkozunk: az hidrogéncellás rendszer a hidrogénből elektromos áramot állít elő, amely elektromotorokat működtet. Mostani cikkünkben ezzel a megoldással foglalkozunk kissé részletesebben.

A hidrogéncella

Az elmúlt években az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentésének igénye a hidrogén üzemanyagcellát helyezte a figyelem középpontjába, különösen azért, mert működése nem termel szén-dioxidot, mellékterméke csupán víz/vízgőz, így ideális választás a fenntartható alkalmazásokhoz.  

A hidrogéncella egy elektrokémiai eszköz, amely a hidrogén kémiai energiáját közvetlenül elektromos árammá alakítja. Ellentétben a hagyományos akkumulátorokkal, amelyek korlátozott energiát tárolnak egy adott felhasználásra, az üzemanyagcellák lehetővé teszik a folyamatos villamosenergia-termelést mindaddig, amíg hidrogénnel és oxigénnel látják el őket.

Hirdetés

A hidrogéncellák több alkatrészből állnak, amelyek együttesen biztosítják az elektrokémiai folyamatot. A fő szerkezeti elemek funkciói és működése:

• Anód: A hidrogén üzemanyagcella anód oldalán a hidrogén molekulák (H₂) érkeznek. Az anódon található katalizátor (általában platina) segítségével a hidrogén molekulák protonokra (H⁺) és elektronokra (e⁻) bomlanak.

• Elektrolit: Az elektrolit egy speciális anyag, amely csak a protonok áthaladását teszi lehetővé, míg az elektronokat nem engedi át. Az elektrolit tehát elválasztja az anódot és a katódot, így biztosítja, hogy az elektronok csak a külső áramkörön keresztül juthassanak el a katódhoz.
• Katód: A katód oldalán az oxigén molekulák (O₂) érkeznek. Az elektronok a külső áramkörön keresztül jutnak el a katódhoz, ahol az oxigén molekulákkal és a protonokkal egyesülve vizet (H₂O) képeznek. Ezt a folyamatot szintén egy katalizátor segíti.

• Katalizátor: Általában platinából készül, és elősegíti a hidrogén és az oxigén közötti kémiai reakciót.
• Külső áramkör: Az anód és a katód közötti elektronáramlás elektromos áramot hoz létre, amelyet külső áramkörön keresztül lehet hasznosítani, például egy elektromos motor meghajtására.

A „fekete doboz” elmélet alapján: bement: hidrogén és oxigén, kimenet: elektromos áram, víz/vízgőz és hő.

Szakértői vélemények szerint a hidrogéncellás megoldások számos előnnyel és néhány kihívással rendelkeznek.

Előnyök:

• Nulla kibocsátás: Az üzemanyagcellák működése során nem keletkeznek szennyező gázok. Az egyetlen melléktermék a vízvízgőz, amely javítja a levegő minőségét.
• Magas hatásfok: A hidrogéncellák 40% és 60% közötti hatásfokot érhetnek el, szemben a hagyományos belsőégésű motorok 20-30%-ával.
• Csendes működés: Mozgó alkatrészek nélkül a hidrogén üzemanyagcellák csendesek, így ideálisak városi környezetben és közlekedésben való használatra.
• Gyors tankolás: A hidrogén üzemanyagcella újratöltése néhány perc alatt elvégezhető folyamat, sokkal gyorsabban, mint egy elektromos akkumulátor feltöltése.

Hátrányok/kihívások:

• Magas ár: A gyártás során felhasznált anyagok, mint például a platina, jelentősen megnövelik az előállítás költségeit.
• Gyúlékonyság: Mivel rendkívül gyúlékony gázról van szó, tárolása és forgalmazása során szigorú biztonsági előírásoknak kell megfelelni.
• Korlátozott infrastruktúra: A hidrogén előállításához, tárolásához és szállításához szükséges infrastruktúra kiépítése és fenntartása költséges. A hidrogén tárolása és szállítása speciális tartályokat és csővezetékeket igényel, amelyek drágák. A hidrogéntöltő állomások hálózata jelenleg még szűkös a fejlettebb országokban is. Ez rövid távon a szélesebb körű elterjedésnek gátja lehet.
• Gyártási hatékonyság: A hidrogén elektrolízissel történő előállítása nagy mennyiségű villamos energiát igényel. Az „energiából – energiát” megoldások több hatékonysági problémát vethetnek fel.
• K + F: A hidrogéntechnológia még mindig fejlődőben van, és jelentős kutatási és fejlesztési költségekkel jár. Az új technológiák kifejlesztése és bevezetése időigényes és költséges folyamat.

Fontos kiemelni, hogy a hidrogéncellák lehetővé teszik a hidrogénben lévő kémiai energia elektromos árammá történő közvetlen átalakítását. A belső égésű motoroktól eltérően nem igényelnek égést, ami kiküszöböli a más energiatermelő rendszerekre jellemző szennyező gázok kibocsátását. A jelenlegi formában a hidrogén előállítása magas költséggel jár. Remélhető azonban, hogy a megújuló energiaforrásokkal kapcsolatos technológiai fejlesztések elősegítik majd az olcsóbb és fenntarthatóbb megoldások alkalmazását.

Mindezzel együtt: jelentős traktorgyártó vállalatok intenzív fejlesztést folytatnak a hidrogén üzemanyacellás traktorok kialakításáért és gyakorlati hasznosításáért. A továbbiakban ennek igazolására mutatunk be néhány példát.

Hirdetés

A New Holland NH^2TM hidrogéncellás traktorai

A New Holland első generációs NH²™ hidrogén traktora 2009-ben debütált az Agritechnicán, Hannoverben (1. kép). A koncepció a 2009-es SIMA-n Arany Innovációs Érmet kapott. Az NH²-t meghajtó villamos energiát hidrogénből állítják elő üzemanyagcellák segítségével. A New Holland NH² szinte hangtalanul működik, és csak vizet és gőzt bocsát ki.

1. kép: A New Holland első generációs NH²™ hidrogén traktora felhajtott motorháztetővel

(TractorData.com - New Holland NH2 Hydrogen-Powered Tractor)

Korabeli tudósítás szerint a T6000-es traktorra épülő hidrogéncellás megoldás lényegében úgy működik, mint egy óriási akkumulátor egy pár elektródával. A hidrogént (350 bar nyomáson a motorháztető alatti tartályban (2. kép) tárolva) az egyik elektródán, míg az oxigént (a légszivattyúból) a másikon vezetik át. Az így termelt energia két villanymotort működtet. Az egyik a sebességváltót, a másik pedig a teljesítményleadó tengelyt (TLT) és a kiegészítő szolgáltatásokat üzemelteti.

2. kép: A hidrogéntároló tartály elhelyezkedése a motorháztető alatt

(New Holland's NH2 Hydrogen Fuel cell tractor)

A kísérleti traktor a New Holland „Energy Independent Farm” (Energiafüggetlen farm) koncepciójának része.

Nem kellett sokat várni a koncepció továbbfejlesztett megjelenésére, a második generációs hidrogénüzemű New Holland traktorra, amelyet 2011-ben mutattak be (3. kép).

3. kép: A második generációs NH²™-traktor

(Special Projects | New Holland)

A New Holland T6.140 sorozatgyártású modellre épülő megoldása az első NH²™-hez képest, olyan üzemanyagcellákat tartalmaz, amelyek kétszeres teljesítményt adnak le, 50-ről (68 LE) 100 kW-ra (136 LE) növelve.

Az üzemanyagcellát három köteg alkotja, összesen 384 egységgel – az első modellben két köteg volt, összesen 256 egységgel. A teljesítmény szintje több, mint egy hasonló méretű, hagyományos motorral felszerelt traktoré. A megnövelt méretű hidrogéntartály 8,2 kg (18 font) hidrogént tud tárolni, szemben a korábbi 2,27 kg-mal (5 fonttal) 350 bar nyomáson. Komoly előny, hogy ez a traktor is nulla káros anyagot bocsát ki – csak hő és vízgőz jön ki a kipufogócsövön.

Hirdetés

A két fedélzeti villanymotor megmaradt, az egyik a vontatáshoz, a másik pedig a TLT és a segédáramkörök működtetéséhez. A berendezés a terheléstől függően akár 3 órát működhet.

További újdonságok közé tartozik a 12 kWh-s, 300 V-os akkumulátor, 50 kW-os csúcsteljesítménnyel, az új, fokozatnélküli sebességváltó, amely a hagyományos kézi sebességváltót váltja fel, a felfüggesztett első tengely, valamint a homlokrakodó rögzítési pontjai alapfelszereltségként.

A Fendt hidrogéncellás traktora

2023 február 27-én a bajor Gazdasági, Regionális Fejlesztési és Energiaügyi Minisztérium straubingi hidrogén-csúcstalálkozón Fendt először mutatta be a hidrogéncellás traktor prototípusát (4. kép).

4. kép: A Fendt H2 prototípusa

(Fendt hydrogen tractor on display - World Agritech)

A Fendt H2, majd a Fendt Helios kifejlesztése szorosan kapcsolódik az alsó-szászországi tartomány „H2Agrar” mezőgazdasági modellprojekthez (5. kép).

5. kép: A „H2 Agrar” projekt logója

A több közreműködővel szervezett, 2021-ben indult projekt legfőbb célja a hidrogén felhasználhatóságának és teljesítménypotenciáljának vizsgálata mezőgazdasági gépekben. A program keretében a Fendt két hidrogénüzemű traktort fejlesztettés helyezett ki és a Haren régióban található két mezőgazdasági tesztüzembe. A projekt keretében meghatározzák a traktorok hidrogénfogyasztását. Kutatják továbbá a mezőgazdaság számára megfelelő hidrogén-infrastruktúra műszaki követelményeit. Ezek az eredmények képezik majd a mezőgazdasági járművek CO₂-kibocsátásának csökkentésére irányuló további kutatások alapját.

Csupán érdekességként: a H2Agrar projektben a hidrogén termeléséhez szükséges zöldenergia a helyi lakosok közösségi szélfarmjáról származik, ahol 16 szélturbina működik. Két speciálisan telepített elektrolizátor, egyenként 1 MW teljesítménnyel, naponta akár 900 kg hidrogént állít elő a CEC Haren GmbH telephelyén. Ezzel egyidejűleg két akkumulátor egység is található a helyszínen, összesen 4 MWh kapacitással az elektromos energia tárolásához. Az itt termelt hidrogént a helyi földgázhálózatba táplálják be és az újonnan épült hidrogén-töltőállomásra szállítják.

A projekt 2022-ben már elnyerte a DLG (Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft – Német Mezőgazdasági Társaság) „Agrifuture Concept Award 2022” díját.

A hidrogéncellás traktor a Fendt egyik legsikeresebb modelljére a Fendt 724 Vario típusra épül (6. kép).

6. kép: A Fendt724 Vario traktor munkában

(Lohnunternehmen Kai Ruppel Fendt 724 Vario mit Fortuna Abschiebewagen im August 2022 beim Mais Häckseln - Fahrzeugbilder.de)

Ezt a traktort egy 6,1 literes, hathengeres Deutz motor hajtja, melynek maximális teljesítmény 246 LE (183,4 kW). A motor maximális fordulatszáma: 2100 fordulat/perc és maximális nyomatéka: 1072 Nm, 1500 fordulat/percnél. A sima és hatékony teljesítményátvitelt fokozatmentes (CVT) sebességváltó biztosítja.

A H2 (vagy Helios) traktor legfontosabb műszaki jellemzői a következők:

• A Fendt H2 traktor teljesítménye nem éri el az alapmodell jelzett teljesítményét. A hidrogén üzemanyagcellás rendszer kb. 136 LE (100 kW) teljesítményt biztosít. Ez a különbség azonban nem feltétlenül jelent hátrányt, mivel a hidrogén üzemanyagcellás traktorok fő előnye a környezetbarát működés és a nulla károsanyag-kibocsátás. A Fendt H2 traktor így is képes hatékonyan ellátni számos mezőgazdasági feladatot, miközben hozzájárul a környezetkímélő, fenntartható mezőgazdálkodáshoz.
• Hidrogéntartályok: Öt darab, egyenként 4,2 kg kapacitású tartály, amelyek 700 bar nyomáson tárolják a sűrített hidrogént.
• Üzemanyagcella: A hidrogént egy 100 kW teljesítményű üzemanyagcella használja fel, amely elektromos energiát állít elő.
• Elektromos motor: Az üzemanyagcella által termelt elektromos energia egy 100 kW teljesítményű elektromos motort hajt meg, amely a traktor mozgatásáért felelős.
• Akkumulátor: 25 kWh kapacitású akkumulátor, amely puffertárolóként működik és segít kiegyenlíteni az energiaigényeket.
• Kibocsátás: Csak vízgőz keletkezik, így a traktor működése teljesen károsanyag-kibocsátásmentes.

A Fendt Helios traktor jövőjével kapcsolatban a fejlesztők a hidrogén üzemanyagcellás technológia továbbfejlesztésére és a mezőgazdasági alkalmazások szélesebb körű elterjesztésére összpontosítanak.

Fő céljaik:

• A kapcsolódó infrastruktúra fejlesztése: A H2Agrar projekt keretében a Fendt célja, hogy tovább kutassa és fejlessze a hidrogén infrastruktúrát a mezőgazdaságban. Ez magában foglalja a hidrogén előállítását, tárolását és töltését és ezek műszaki megoldásait.
• A 724 Vario Prototípusok további tesztelése: A Fendt folytatja a Helios traktor prototípusainak valós körülmények közötti tesztelését mezőgazdasági kísérleti gazdaságokban. A cél az, hogy további használható adatokat gyűjtsenek a traktorok energiafogyasztásáról, teljesítményéről és egyéb használati jellemzőiről (7. kép).

7. kép: A A Fendt Helios traktor a tárolópalackok burkolatával

(H2 Traktor Fendt Helios im Rahmen der Woche des Wasserstoffs)

• A kibocsátás csökkentése: A projekt egyik fő célja a mezőgazdasági termelés karbonlábnyomának csökkentése. A hidrogén üzemanyagcellás traktorok használata jelentősen hozzájárulhat a CO₂-kibocsátás csökkentéséhez. Az ezzel kapcsolatos teendők soha véget nem érő feladatnak tekinthetők.
• Technológiai fejlesztések: A Fendt folyamatosan dolgozik a hidrogén üzemanyagcellás technológia fejlesztésén, hogy növelje a traktorok megbízhatóságát és teljesítmény-jellemzőit.
• Széleskörű alkalmazás: Általában is hosszú távú cél és a jövő egyik központi feladata az, hogy a hidrogén üzemanyagcellás traktorok széles körben elterjedjenek a mezőgazdaságban és ezzel hozzájáruljanak a környezetkímélő és fenntartható mezőgazdasági gyakorlathoz (8. kép).

8. kép: A Helios traktor tesztüzemben

(ARADEX supports AGCO-FENDT in the “H2 Agrar” research project - ARADEX AG)

A STEYR FCTRAC hidrogén üzemanyagcellás traktor

Az amerikai-olasz CNH Industrial St. Louis-i traktorgyárának mérnökei és a Bécsi Műszaki Egyetem szakemberei közötti együttműködés eredményeként született meg egy hidrogéncellás traktor, amely az FCTRAC (Fuel Cell Tractor) elnevezést kapta. Az FCTRAC fejlesztése az Osztrák Kutatásfejlesztési Ügynökség (FFG) által finanszírozott nemzeti kutatási projekt része. Ezt a projektet a Bécsi Műszaki Egyetem Erőátviteli Rendszerek és Autótechnológiai Intézete (IFA) vezette.

Az üzemanyagcellás megoldás a szabványos Steyr 4140 Expert CVT traktoron (9. kép) került bevezetésre.

9. kép: A Steyr 4140 Expert CVT traktor

(Steyr 4140 Expert CVT Technische Daten des Allradtraktors (2020 - 2025) | LECTURA Specs)

Az osztrák STEYR FCTRAC projekt fő célja a klímasemlegesség és a fenntarthatóság. Ennek érdekében a traktor kiegészítésére egy BioH2 modult (10. kép) fejlesztettek ki, amely nyersanyagokból és élő anyagok hulladékából hidrogént állít elő.

10. kép: A BioH2 modul logója

Ez az eljárás figyelemre méltó hatékonysággal teszi lehetővé a hidrogén előállítását: 15-16 kg biomassza szükséges a 3,5 liter gázolajnak megfelelő hidrogén előállítására. Az FCTRAC energiaszükségletét a hidrogén és az oxigén reakciója biztosítja és csak vízgőzt bocsát ki. Mindezt olyan teljesítménnyel – 95 kW (130 LE) – amely megegyezik a hasonló méretű dízel traktorok teljesítményével. Ennek megfelelően a traktor a különféle mezőgazdasági munkák elvégzéséra ugyanúgy alkalmas, mint a dízelmotoros típus.

Az üzemanyagcellás és a 400 V-os elektromos hajtásrendszer a dízelmotor helyét veszi át, míg az üzemanyagtartályt sűrített hidrogéntároló rendszer és egy nagyfeszültségű akkumulátor váltja fel.

A traktorfülke tetejére szerelt tárolóegységben 12,4 kg hidrogént lehet tárolni 700 bar nyomáson négy db. szénszálas tartályban, melyek együttes térfogata 310 liter (11. kép). (A fülketetőre szerelt egység miatt vannak, akik ezt a modellt „kalapos” traktorként említik.)

11. kép: A burkolt hidrogéntároló tartályok a traktor tetején helyezkedne el

(STEYR powered by Hydrogen - World Agritech)

A levegőt kompresszor szivattyúzza a cellába. A hidrogén és az oxigén reakciójából az elektromos energia mellett csak alacsony hőmérsékletű vízgőz keletkezik. A cella 50 százalék feletti hatásfokkal működik, és mivel az energiaigényekre lassú, körülbelül öt másodperces késleltetéssel reagál, egy 14 kWh kapacitású, pufferként működő akkumulátor egészíti ki.

Az átalakítások következtében a hagyományostól eltérő alkatrészek arány közel 50%. Ez nem tartalmazza a fokozatmentes sebességváltót, amely a villanymotor munkáját megkönnyíti, azonban az eredetitől eltérően kalibrált.

A konstrukciós változtatások eredményeként a traktor magassága 42 cm-rel, tömege pedig 20 %-kal, 7 250 kg-ra nőtt.

A kísérleti fázisban a hidrogént egy karintiai erőműben állították elő, 800 C⁰-ra felhevített faaprólékból. Az eljárás során keletkezett gázkeverékből a hidrogént különböző szakaszokban választották le.

A STEYR FCTRAC-kal kapcsolatos tudósítások nem mulasztják el megemlíteni, hogy a traktor bemutatásra és díjazásra került a bécsi Schönbrunn-i kastélyban. Itt került ugyanis átadásra az Osztrák Állami Technológiai Díj, amelyre a „Mobility Technologies” kategóriában jelölték a traktort. Ezzel a díjjal ismerik el az úttörő osztrák műszaki innovációkat. Ez az elismerés vélhetően további ösztönzést ad a projektben közreműködők számára.

Címkék: traktor, hidrogénhajtás, new holland, fendt, steyr
MEGOSZTÁS
-
Változások a traktorok energiaellátásában (7.) – Hidrogénüzemű traktorok 2. rész