Trattori specializzati: a qualcuno piace ibrido

L'ibridizzazione delle trattrici, e in particolare di quelle da vigneto e frutteto, oltre a tendere verso la riduzione delle emissioni e l'aumento dell'efficienza, riduce gli ingombri sottocofano. I costruttori, che se ne sono accorti, stanno puntando molto sulla combinazione di motori endotermici ed elettrici che riducendo i sistemi di post trattamento dei gas di scarico Ats - molto ingombranti - minimizzano l'impatto sul layout di modelli la cui natura è muoversi in spazi ristretti.

Inoltre, gli operatori, una volta che i concept oggi proposti saranno a listino, potranno scegliere tra diverse modalità di funzionamento: diesel, ibrida o pura elettrica, in funzione dell'erogazione di potenza più adatta al lavoro da svolgere. Con l'energia elettrica convertita in corrente alternata, sarà poi possibile alimentare le attrezzature elettrificate - soprattutto quelle più piccole e meno energivore su cui molto lavoro si sta facendo - andando a limitare le inefficienze ed eliminare le perdite di olio. Il tutto a vantaggio dell'ambiente e del portafogli.

"Alcune simulazioni su trattori ibridi dotati di minori Ats, evidenziano una ridotta necessità di interventi di manutenzione. Ciò si traduce in costi di proprietà inferiori per i clienti che così potrebbero ammortizzare più facilmente l'investimento iniziale" fa sapere Paolo Patroncini, ad di 4e Consulting che ha sviluppato con Carraro Tractors il concept Ibrido (Novità tecnica ad Eima 2018). "Si tratta di macchinari dalle molte potenzialità che però richiedono un cambio di mentalità nel settore".
 

Come nasce un ibrido?

Per quanto promettenti, gli specializzati ibridi non sono di facile progettazione e realizzazione. Gli ostacoli da superare sono più d'uno.
"Abbiamo identificato e valutato le molteplici attività che il trattore Ibrido può svolgere per poi simulare i fabbisogni energetici delle modalità ibrida, pura elettrica e sviluppare il software per il controllo delle modalità di funzionamento" specifica Patroncini.
 
Altre sfide affrontate sia da Carraro e 4e Consulting su Ibrido sia da Landini sul concept Rex 4 Electra-Evolving Hybrid - premiato al concorso Novità tecniche 20-21 - sono state l'installazione di un pacco batterie personalizzato e di motori diesel ed elettrici su un trattore identico a uno specializzato convenzionale per dimensioni, passo e peso. Inoltre la versione ibrida ha richiesto di sincronizzare contemporaneamente due frizioni al motore elettrico.

"Abbiamo montato batterie il più possibile compatte, leggere e installato nella parte anteriore sotto il cofano particolari sistemi per il raffreddamento della parte elettrica, bilanciati con i dispositivi tradizionali" spiega Francesco Pagani, R&D Platform manager di Argo Tractors. "Inoltre, non è stato per nulla banale realizzare l'assale anteriore elettrificato integrando due motori elettrici". Infine, per assicurare il corretto funzionamento, vanno definite le funzioni del software che controlla la trazione, il passaggio da elettrico a ibrido e le modalità di ricarica.
 

Tra concept e prossimi lanci

Carraro Ibrido dispone di un'architettura ibrida di tipo parallelo. Deve la compattezza al downsizing del motore diesel Deutz TCD 2.2 Stage V da 56 kilowatt (75 cavalli) - 3 cilindri al posto di 4 - e al montaggio di un motore elettrico a magneti permanenti e flusso assiale da 20 kilowatt (27 cavalli), dotato di due frizioni. Questo - posto tra propulsore principale e cambio meccanico - funziona da solo in pure electric operando direttamente connesso al cambio.

"L'architettura parallela, con motore privo di Ats complicati e capace di erogare un ampio intervallo di coppia, soddisfa il fabbisogno di potenza senza impattare sulla compattezza" sottolinea Patroncini. "Diversamente l'architettura seriale è adatta a trattori più grandi, poiché dovrebbe fornire 76 kW utilizzando un generatore e un motore più ingombrante, non compatibile con le dimensioni dello specializzato".

"Ibrido è di fatto un laboratorio su quattro ruote non concepito per la produzione in serie, ma per la simulazione di diversi scenari di utilizzo che permettano l'elaborazione di differenti strategie software" spiega Giacomo Fiocchi, direttore della divisione ePower Systems di Carraro. "Partendo da Ibrido abbiamo sviluppato il nuovo prototipo Hard mild hybrid che, reduce da una serie di test in campo, verrà lanciato a breve alla fiera digitale IVT Expo 2021 e presto sarà pronto per il mercato".
 
Montato su un Compact, ma adattabile a tutti gli specializzati del Gruppo, Hard mild hybrid utilizza un motore elettrico che fornisce 20 kW in più in caso di sovraccarichi del propulsore diesel (funzione smart boost) e un endotermico Deutz downsized (3 cilindri), che eroga 55 kW a 2.600 giri al minuto e ricarica l'innovativa batteria al nichel metalidrato NMH.

Hybrid Concept Tractor 6090E svelato da Farmtrac (parte del Gruppo indiano Escorts) ad Agritechnica 2019, ha una configurazione simile ad Ibrido di Carraro. Il 6090E integra un motore endotermico a 4 cilindri Stage V da 3.68 litri e da 75 cavalli e uno elettrico da 15 cavalli alimentato da un pacco batterie installato sul lato destro. Entrambi i modelli possono lavorare nelle modalità diesel, ibrida o pura elettrica ad emissioni zero.
 
Il discorso cambia con il Rex 4 Electra, progettato a partire da un Rex 4-120 GT. Due motori elettrici da 12 kW ciascuno (prodotti da un fornitore esterno) agiscono in modo indipendente uno dall'altro sulle ruote dell'assale anteriore sospeso, sfruttando l'energia fornita da una batteria ricaricabile con il recupero dell'energia durante la decelerazione - Brake energy recovery - e tramite un generatore collegato al propulsore diesel a 4 cilindri Deutz TCD 2.9 da 112 cavalli. Il tutto sotto il controllo del Power management system.
"Con i motori elettrici è possibile svincolare le ruote anteriori dalla parte meccanica, scegliere tra una più ampia gamma di pneumatici anteriori e posteriori, ma anche controllare meglio le velocità delle ruote riducendo il raggio di sterzata senza l'uso di soluzioni meccaniche che possono danneggiare il terreno" precisa Pagani. "Inoltre si può lavorare con le 4 ruote motrici sempre innestate (anche oltre i 15-20 chilometri orari) che garantiscono maggiori sicurezza e controllo di trazione, fondamentali in condizioni di aderenza non ottimali".
 

Motori: due fonti sono meglio di una

Attualmente i trattori ibridi sono ancora in fase di sviluppo, ma i componenti destinati ad equipaggiarli - in primis i motori - sono già in commercio. Il propulsore multipower a 4 cilindri FPT Industrial F28 da 2.8 litri è disponibile nelle versioni diesel e a gas naturale (lanciate ad Agritechnica 2019), ma anche nella variante ibrida svelata a Conexpo 2020. Contraddistinto da ingombri, pesi e costi d'esercizio ridotti, F28 Ibrido è un motore diesel da 74 cavalli accoppiato a un'unità elettrica da 27 cavalli (potenza continua).

Con un funzionamento basato sul software di controllo di FPT, la new entry garantisce prestazioni ottimizzate su macchinari compatti, nonché maggiori produttività, efficienza e sostenibilità nel segmento off-road.
 
Anche i modelli Kohler Hybrid Energy Module K-HEM - indicati per varie applicazioni - combinano potenza elettrica e meccanica. Un motore elettrico da 9 kW (con picchi di 15 kW) è accoppiato a un propulsore diesel a 3 cilindri KDW 1003 Stage V da 17 kW nel K-HEM 1003, mentre è abbinato a un 4 cilindri KDI 2504TCR da 55 kilowatt nel K-HEM 2504. La strategia di Kohler è quella di integrare le due fonti di energia per sfruttarne a pieno il potenziale e di puntare su sistemi con chiari vantaggi pratici.
 

Trasmissioni e batterie in continua evoluzione

I concept visti montano per lo più trasmissioni meccaniche (da 24AV + 24RM su Ibrido, da 24AV + 8RM su 6090E) o robotizzate con tre stadi powershift HML (Reverse Power Shuttle su Rex 4 Electra), ma nulla vieta di installare versioni full-powershift, dual clutch o a variazione continua.
Secondo Patroncini, "la flessibilità del motore elettrico permette di montare un cambio meccanico, meno costoso di altri, senza dover rinunciare alle performance", ma in futuro - con l'avvio della produzione in serie - si arriverà sicuramente al CVT e Landini ci sta già pensando.

Le batterie più usate sono quelle agli ioni di litio-ferro-fosfato LiFePO₄, ricaricabili con mezzo fermo tramite presa di corrente, ma anche durante la frenata (Rex 4 Electra) e quando la potenza è in eccesso (6090E). Una batteria LiFePO₄ da 25 kilowattora (realizzata da 4e Consulting) equipaggia anche Carraro Ibrido, mentre elemento distintivo di Hard mild hybrid è la batteria NMH, più piccola, più robusta e ricaricabile on-the-go tramite un generatore collegato al motore diesel.
Al momento, le attività si concentrano soprattutto sul miglioramento dal punto di vista energetico delle batterie al litio che, garantendo costi ridotti, affidabilità e sicurezza elevate, sono le più indicate per favorire la messa in produzione dei mezzi.
 
"Nei prossimi anni, assisteremo alla realizzazione di batterie al litio ancora più performanti e - aggiunge Pagani - forse anche allo sviluppo di batterie allo stato solido (con elettrolita solido in luogo del liquido) adeguate per i macchinari agricoli. Ciò potrebbe tradursi in un ulteriore aumento della sicurezza".
 

Il futuro? Passa dall'ibridizzazione

Per soddisfare i requisiti di utilizzo degli specializzati, l'ibridizzazione sembra un passaggio obbligato sulla strada verso l'elettrificazione completa.
Differente è il discorso per il segmento dei sollevatori telescopici - impiegati prevalentemente in azienda e quindi facilmente ricaricabili con presa di corrente, contraddistinti da minor complessità meccanica - dove troviamo i modelli full-electric MT 1135 di Manitou ed e-Worker di Merlo. Anche tra i trattori però ci sono proposte 100% elettriche come il Fendt e100 Vario, il Farmtrac 25G e il Tiger Electric dell'indiana Sonalika.

Landini ha già definito il layout di un concept full-electric. "Al momento si focalizza sull'aumento dell'integrazione delle parti meccanica-elettrica e sull'ibridizzazione dei servizi del Rex 4 Electra, ora protagonista di prove in campo dopo i test indoor" dichiara Pagani. "Prevediamo l'inizio della produzione del modello visto ad EDP a partire dal 2023 e siamo certi che proporre mezzi prima ibridi e poi full-electric sarà un punto di forza".

Anche Carraro non resta fermo. "La divisione ePower Systems - afferma Fiocchi - sta lavorando per lo sviluppo di un concept full-electric e sta già realizzando trasmissioni e assali elettrificati per applicazioni Agriculture e Constructions. Inoltre, continua a lavorare sul prototipo Hard mild hybrid, davvero eco-friendly perché garantisce vantaggi economici (risparmi di carburante e AdBlue) ed ecologici (riduzione delle emissioni di anidride carbonica CO₂)".

"Si punta di più su modelli ibridi che full-electric per una questione di autonomia e bilancio energetico: per ora è difficile avere un serbatoio di energia elettrica tale da assicurare gli stessi tempi di funzionamento di un diesel. Il sistema ibrido permette la ricarica periodica della batteria" commenta Patroncini. Altri fattori limitanti sono le dimensioni e i costi troppo elevati delle batterie.
"I costruttori sembrano intenzionati ad investire sempre più nell'elettrificazione" continua Patroncini. "Dunque, nel giro di un decennio, potrebbe realizzarsi la transizione graduale a full-electric capaci di stoccare più energia e di offrire un piacere di guida superiore".