Vége a belső égésű motorok egyeduralmának?

A kézenfekvő válasz: Földünk fosszilis energiatartalékainak kimerüléséig. Ez azonban nem így van, és ezt a tisztán elektromos hajtású – akkumulátoros vagy üzemanyagcellás – erőgépek irányában tanúsított felfokozott érdeklődés is bizonyítja. Tekintsük át néhány példa kapcsán a fejlesztés jelenlegi állását és a kilátásainkat.

Fűtőértékek és kapacitások

A robbanómotorok üzemanyagainak sokkal nagyobb az egy kilogrammra vetített energiatartalmuk, mint az akkumulátorok által nyújtott kapacitás (1. táblázat). A fosszilis üzemanyagokat hasznosító termikus motorok hatásfoka azonban 30% körüli, szemben az elektromos hajtások 80-85%-os hatásfokával. Ráadásul a villanymotorok fordulatszáma változtatható, azaz váltóműre, hajtóművekre nincs szükség. A környezetvédelmi, szabályozhatósági és kényelmi szempontok figyelembevételével a tisztán elektromos hajtás versenyképesebb annál, mint amit az energiasűrűségi adatok alapján feltételeznénk.
A 13,6 kW-os kerékmotorokkal a homlokrakodó ugyanolyan teljesítményre képes, mint egy dízelmotorral – csendben, károsanyag-kibocsátás nélkül (Foto: LINDE)

Az autókban használatos indítóakkumulátorok energiasűrűsége 40 Wh/kg, és ezt mára a lithium-ionos akkumulátorokkal az ötszörösére sikerült növelni. Ezzel együtt is az akkumulátorok helyigénye kétszer akkora, mint az azonos teljesítményt szolgáltató belső égésű motor gázolajtartálya. Mivel azonban az elektromos hajtások kisméretűek, a többlethelyigény egy erőgépen belül nem éri el a kritikus értéket. Tény az, hogy a nagy kerekes és lánctalpas traktoroknál a súlykülönbség a termikus motorok irányába billenti a mérleg nyelvét, mert az energiatároláshoz szükséges súly a motor súlyához képest egyre nagyobb. Azonban éppen ezeknél az erőgépeknél nincs túlzott jelentősége az önsúlynak, sőt a vonóerő kifejtése oldaláról még jól is jöhet.
A segéd- és mellékhajtásoknál, valamint klimatizálásra és sűrített levegő előállítására már ma is gyakran használnak villanymotoros hajtásokat, amelyek elektronikus vezérléssel a szükségleteknek megfelelően kapcsolhatók be és ki.

„Tiszta” elektromos hajtások

A traktorok tiszta elektromos hajtására először a harmincas években a Szovjetunióban, a nagy villamosítási terv keretében került sor. Ennek a megoldásnak a lényege az volt, hogy a nagy mezőgazdasági termőterületeket sűrű elektromostávvezeték-hálózattal látták el, és a traktoron lévő kábeldobról több száz méter vezetéket le- és felcsévélve haladt a villanymotorral hajtott traktor. A hálózat kiépítésének magas költsége és a traktor korlátozott mozgási lehetősége kudarcra ítélte ezt a szovjet megoldást.
Az „E-Mobility”-nak nevezett elektromos mobilitásra váltásig, a gazdaságosan üzemeltethető, a villamos hálózatról feltöltött akkumulátorból nyert energiával működő villanytraktorokig még hosszú az út. Az egyetemek és a gépgyártók titokban nagy erőkkel dolgoznak a legújabb fejlesztéseken. Mint ahogy Thomas Herlitzius, a Drezdai Műegyetem tanszékvezetője elárulta: „Főként a majori munkáknál és az állattartó telepeken használt kisebb traktorok, rakodógépek lesznek a jövőben konnektorról tölthetők.” Szerinte már most eldőlt, hogy a hidraulikával szemben „sokkal jobban vezérelhető és szabályozható, jobb hatásfokú elektromos hajtásrendszerek térkihasználási lehetőségei nem kötik meg a konstruktőr kezét”.

John Deere GATOR-TE 4x2 Electric többcélú szállítóeszköz (Fotó: John Deere)

Jó példa erre a John Deere GATOR-TE 4x2 Electric többcélú járműve. Ennek a kocsinak a hátsó kerekeit 48 V-os akkumulátortelepről működő egyenáramú, 4,6 kW teljesítményű villanymotor hajtja, mechanikus fokozatmentes hajtóművön keresztül. A jármű haladási sebessége maximálisan 25 km/h előre és 15 km/h hátra. A 409 kg terhelhetőségű, univerzális szállítóeszköz jól használható állattartó telepeken, raktárakban, épületeken belül. A nagy teljesítményű akkumulátoregységgel egész nap üzemképes. A teljesen lemerült akkumulátorok feltöltése a villamos hálózatról tizenkét órát vesz igénybe.
A Kramer konnektorról tölthető E-homlokrakodója (Fotó: top agrar)

A Weidemann már tavaly felvette programjába a teljesen elektromos hajtású eHoftrac modellt. Erről folyóiratunk korábbi számában már beszámoltunk, és még foglalkozunk is vele. Újdonságként az ugyanezen csoporthoz – a Wacker Neuson Grouphoz – tartozó Kramer jelent meg egy összkerékhajtású, négykerék-kormányzású elektromos homlokrakodóval. A fejlesztés alapjául a Kramer KL19.5L rakodója szolgált, és az elektromos hajtású modellnek ugyanezen követelményeknek kellett megfelelnie. Az emelhető/billenthető teher nagysága 2000 kg. A csekély zajt és környezetterhelést okozó rakodógép állattartó telepeken és különösen istállókban használható előnyösen. A gyártó szerint üzemeltetési és szervizelési költsége jóval csekélyebb, mint a dízelmotoros modelltestvéré. Teljesen feltöltött akkumulátorral – a használat intenzitásától függően – 2–7 órát dolgozhat. Különlegessége az a hátul található, 220 V-os dugaszaljzat, amelyről más, hagyományos villamotoros kisgépek is üzemeltethetők.

Üzemanyagcellás villamos hajtás

A járműhajtások területén a jövő nagy ígérete az úgynevezett üzemanyagcellás villamos hajtás. A hidrogénnel működtetett üzemanyagcellák sorba kapcsolásával nagyfeszültségű egyenáram nyerhető. Az üzemanyagcella működtetéséhez csupán hidrogén és oxigén szükséges, káros anyag nem keletkezik, csak víz. Indításkor az áramfejlesztés beindításához egy-két percre van szükség.

A hidrogén súlyegységre vetített energiasűrűsége minden más tüzelőanyagénál nagyobb, de térfogategységre vetítve – még folyékony állapotban is – messze elmarad versenytársaitól (2. táblázat). De meddig? Ma még főként földgázból állítják elő, de mi lesz egy évtized múlva, amikor már megújuló energiák – szél, nap, biomassza – segítségével keletkezik ugyanúgy, mint ma az elektromos áram? A hidrogénre alapozott hajtások akkor lehetnek versenyképesek, ha az üzemanyag a felhasználási helyhez közel, folyamatosan rendelkezésre áll. Eszerint a hidrogént magában az önellátó, külső energiától független mezőgazdasági üzemben kell „megtermelni”. A hidrogént elektrolízissel vízből vagy közvetlenül a hulladékból, illetve biomasszából nyert metángázból lehet előállítani. Az ehhez szükséges áramot napelem és szélgép vagy a biogáztelep gázmotorjának generátora szolgáltathatja. A sűrített gázt föld alatti tartályokban lehetne tárolni.

A New Holland mutatta be a világon az első hidrogén-üzemanyagcellás traktort a német Agritechnica kiállításon 2009-ben. Az NH2 jelölésű, hidrogénüzemű traktort a T6000 traktorcsalád alapgépéből alakították ki. A belső égésű motor helyett a hajtást az üzemanyagcella által szolgáltatott villamos energia és villanymotor látta el.

A New Holland NH2 hidrogénüzemű traktora

A T6000 szériába beépített, NH2 TM elnevezésű üzemanyagcellás rendszer maximális teljesítménye 78 kW (106 LE) volt. A traktor levegőszűrő és hűtőrendszerét át kellett alakítani. Az üzemeltetéshez szükséges hidrogént összesűrítve, speciális tartályban tárolták. A traktor 
8,2 kg, 350 bar nyomáson sűrített, háromórás üzemre elegendő hidrogént volt képes magával vinni. A nagy teljesítményű villanymotor a központi hajtóműház helyére került. A haladási sebességet és a TLT fordulatszámát fokozat nélkül lehetett állítani. A vezetőfülke alatt, bal oldalon még egy külön dugaszaljzat is volt, ahová külső áramfogyasztókat lehetett kapcsolni.
A hidrogénből áramot előállító rendszereknek sok előnyük van az akkumulátoros hajtással szemben. Az üzemanyagcella élettartama sokkal hosszabb, és nem okoz olyan környezeti problémákat, mint a tárolóképességüket idővel elvesztő akkumulátorok. A sűrített hidrogén energiasűrűsége is megfelelő, erre alkalmas tartályban hosszú ideig tárolható, és innen a traktor saját tartálya nagyon gyorsan feltölthető.
A tüzelőanyag-cellák fejlesztése nehezen halad, de a darmstadti Akasol kutatóintézet véleménye szerint ez szándékos. Szerintük a robbanómotorokat milliószámra gyártó ipar érdekével ellentétes lenne a villanyautók gyors terjedése, ezért az „oszd meg és uralkodj” elve alapján jobban támogatják a jelenleg még kilátástalannak tűnő tüzelőanyag-cellás fejlesztéseket. A kutatóintézet szerint a hidrogénből áramot előállító cellák iránti érdeklődés meg fog szűnni, amikor megjelennek az erős, könnyű és kedvező árfekvésű akkumulátorok. Más vélemények szerint a kőolajkészletek csökkenése miatt harminc-negyven év múlva már várható az üzemanyagcellás rendszer elterjedése a traktortechnikában. Majd meglátjuk…

Irodalom:
Bähmisch, S.: Saubern über Acker, u4.hu/x/autobild
Sieverdingbeck, D.: Elektrische Antriebe in Landmaschinen, www.linde-mh.de 5-2011
John Deere, u4.hu/x/johndeere
NOW – Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie,
u4.hu/x/now topagrar: u4.hu/x/topagrar2

Szerző: Dr. Tátrai György