Seguendo una strada già percorsa dal comparto automotive, le normative sempre più rigide in termini di emissioni incoraggiano il settore off road a ripensare le motorizzazioni per orientarsi verso motori ibridi o elettrici caratterizzati da livelli di emissioni minori rispetto ai propulsori endotermici.
Oltre a impattare meno sull'ambiente, le soluzioni ibride o elettriche assicurano minori vibrazioni e rumorosità, maggiori rendimenti, efficienza e flessibilità nel trasferire la potenza alle ruote. In più, avendo meno parti in movimento, richiedono meno interventi di manutenzione rispetto alle unità a combustione interna.
Le sfide nello sviluppo delle nuove motorizzazioni
L'ibridazione e l'elettrificazione dei macchinari agricoli offrono diversi benefici, ma la loro implementazione è complessa a causa delle particolari esigenze dei mezzi usati nei campi. I produttori stanno cercando di sviluppare motori innovativi in grado di soddisfare richieste di potenza notevoli, funzionare per un tempo sufficiente a portare a termine il lavoro e avere modalità di ricarica efficaci.
Il limite più grande ad oggi è la densità di energia delle batterie ancora troppo bassa per consentire la sostituzione dei propulsori endotermici in tutte le applicazioni. Inoltre, al di là delle sfide tecniche, il mercato mostra ancora una certa diffidenza verso le nuove motorizzazioni, con molti agricoltori "affezionati" ai propulsori diesel.
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Per superare i problemi legati alle batterie e avvicinare gli utenti finali all'elettrificazione in modo graduale, molti costruttori stanno investendo in soluzioni ibride pionieristiche che combinano motori diesel più piccoli e a basse emissioni con motori elettrici e batterie ricaricabili agli ioni di litio. Alcune di queste unità hanno già fatto la loro comparsa sui trattori specializzati.
Ibrido sì ma con moderazione
Le motorizzazioni ibride sono di 2 tipi: mild hybrid, o ibrido leggero, e full hybrid, o ibrido completo. "In un sistema mild hybrid, un motore elettrico collegato a una batteria non muove da solo il mezzo ma fornisce coppia supplementare al propulsore endotermico, ad esempio durante attività in pendenza o in salita dove c'è bisogno di più potenza per eseguire una lavorazione o mantenere la velocità" spiega Francesco Marinello, docente dell'Univeristà di Padova in occasione di Fieragricola Tech.
Schema di funzionamento dei sistemi mild hybrid e full hybrid in parallelo e in serie
(Fonte foto: AgroNotizie)
La batteria recupera l'energia generata durante le frenate e la rilascia al motore elettrico quando questo entra in funzione a supporto del propulsore diesel, assicurandone una migliore risposta e minori consumi. Grazie al recupero di energia, un sistema Mild Hybrid non necessita della ricarica e passa all'elettrico solo in caso di richiesta di alta coppia o in accelerazione, risultando ideale per i mezzi che lavorano su dislivelli.
I sistemi ibridi in commercio si distinguono per la potenza elettrica e per l'architettura di tipo P0, P1, P2, P3 o P4 che indica la posizione del motore elettrico nel powertrain. Passando da un'architettura P0 a una P4, la distanza tra il motore e le ruote decresce.
Carraro Powertrain Mild Hybrid con architettura P1 si basa su un motore elettrico da 20 kW (27 cavalli) integrato con un propulsore diesel a 3 cilindri Carraro 3E22 da 2,23 litri che eroga 55 kW (75 cavalli). Il sistema assicura le stesse prestazioni di un motore da 100 cavalli con consumi decisamente inferiori e il propulsore diesel downsized rispetta la normativa Stage V senza l'uso dell'SCR. Gli ingombri e i costi ridotti rendono il Powertrain Mild Hybrid indicato per i trattori specializzati.
Guarda il video sul sistema Carraro Powertrain Mild Hybrid
Anche Kohler - che a inizio 2022 ha acquisito Curtis Instruments, specializzata in soluzioni per mezzi ibridi ed elettrici - intende diversificare il proprio portfolio con soluzioni ibride modulari entro il 2025. L'introduzione di motorizzazioni mild hybrid e full hybrid permetterà di rendere i motori endotermici più performanti e green, nonché di soddisfare le diverse esigenze dei costruttori di macchine.
Full Hybrid, offerta in crescita
Cosa prevede, invece, una motorizzazione full hybrid? "Ci sono sempre un propulsore a combustione interna e uno elettrico collegato a una batteria di dimensioni modeste, ma l'elettrico può funzionare in parallelo o in serie. Nel primo caso il motore elettrico fornisce supporto a quello diesel, nel secondo caso lavora in modo indipendente per un tempo limitato" specifica Marinello. Con un full hybrid, è dunque possibile operare in 3 modalità:
- 100% elettrica, indicata per operazioni in ambienti chiusi (serre e stalle) o in ambito urbano;
- 100% diesel, ideale per trasferimenti su strada e lavori senza carichi gravosi;
- ibrida, utilizzabile nelle attività con Pto o nel trasporto di carichi importanti.
Il sistema Carraro Ibrido con architettura P2 di tipo parallelo - installato sul concept di trattore lanciato nel 2018 - comprende un motore elettrico a magneti permanenti da 20 kW (27 cavalli) e uno diesel a 3 cilindri Deutz TCD 2.2 Stage V da 75 cavalli (56 kilowatt), oltre a motori elettrici dedicati ai sistemi ausiliari. Il sistema garantisce un'erogazione di potenza ottimizzata in funzione delle diverse attività, ma anche minori consumi e costi di manutenzione, maggiore produttività e zero emissioni in modalità full electric.
Esposte da Kohler ad Eima 2022, le nuove motorizzazioni ibride K-HEM Serie 1903 con architettura parallela possono lavorare anch'esse in puro elettrico a zero emissioni. I 2 modelli K-HEM 1903 disponibili presentano 2 diversi set up della batteria: a 48 Volt con potenza di picco del motore pari a 20 kW e a 96 Volt con potenza di picco pari a 40 kW. Su entrambi i modelli, il motore diesel a 3 cilindri KDI 1903 Stage V eroga 42 kW (56 cavalli) e aggiunge potenza quando necessario.
In alternativa ai K-HEM 1903, ci sono i K-HEM 2504 che combinano sistemi a 48 o 96 Volt con il motore diesel a 4 cilindri KDI 2504TCR da 55 kW (75 cavalli). Il prossimo passo? Arricchire la nuova Gamma KSD con un modello ibrido.
Il motore FPT Industrial F28 Hybrid assicura alte prestazioni con bassi consumi
(Fonte foto: AgroNotizie)
La proposta di FPT Industrial è l'F28 Hybrid: un motore diesel a quattro cilindri F28 da 75 cavalli accoppiato a un motore elettrico che aggiunge 27 cavalli di potenza continua e 40 cavalli di potenza massima. Compatto e capace di garantire alte prestazioni con bassi consumi, è ideale come soluzione plug & play in sostituzione dei propulsori diesel più grandi e per l'alimentazione degli attrezzi agricoli elettrici.
Presentato ad Eima 2021, l'F28 Hybrid è concepito con un approccio modulare scalabile che consente di passare dall'attuale architettura P1 a 48 Volt a un'architettura P2 ad alto voltaggio, in grado di garantire una maggiore potenza.
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Anche Perkins ha presentato a ConExpo 2023 un propulsore ibrido con modulo batteria da 48 Volt e potenza elettrica di 20 kW che può essere configurato in diversi modi per l'utilizzo in varie applicazioni off highway.
Ibridazione per gli specializzati
Un sistema di propulsione ibrido equipaggia il prototipo di trattore Landini Rex4 Full Hybrid. "Abbiamo combinato un propulsore endotermico a 4 cilindri Deutz AG Stage V da 2,9 litri e 75 cavalli o 55 kW, già presente nella Serie Rex4, con un motore elettrico a magneti permanenti con potenza fino a 50 kW" precisa Antonio Salvaterra, Marketing director di Argo Tractors.
Il sistema può funzionare nelle modalità full hybrid, generatore o 100% elettrica. "Nella modalità full hybrid il motore elettrico funge da booster e supporta il motore diesel, erogando un surplus di potenza di 25 kW e di coppia - prosegue Salvaterra. Quando funziona da generatore ricarica le batterie, mentre in modalità full electric raggiunge una potenza nominale di 50 kW, con un picco di 65 kW, e gestisce da solo il moto al posto del propulsore endotermico".
Scopri come funziona il sistema di propulsione ibrido di Landini Rex4 Full Hybrid
Prodotta da un'Azienda esterna, la batteria con celle cilindriche agli ioni di litio e capacità di 30 kWh garantisce un'adeguata riserva di energia per il funzionamento ibrido e un'autonomia di almeno 2 ore in full electric. È ricaricabile con il motore elettrico quando il motore diesel lavora a basso carico. Il Power Management System supervisiona i dispositivi elettrici, i flussi di potenza e identifica il punto ottimale di funzionamento dei sistemi propulsivi.
Diversamente, sotto il cofano del concept di trattore isodiametrico SRX Hybrid di Antonio Carraro ci sono un motore endotermico a 3 cilindri Stage V da 1,86 litri con potenza di 55 kW e un motore elettrico con potenza di 20 kW. Nel complesso il sistema sviluppa ben 75 kW, vale a dire 102 cavalli. Attivato da un'apposita centralina, il motore elettrico - montato tra il propulsore diesel e la trasmissione meccanica - fornisce potenza aggiuntiva in pendenza o con alcuni attrezzi.
Motori elettrici, i primi esemplari sui trattori
Le soluzioni elettrificate più spinte sono i motori elettrici capaci di muovere i mezzi senza propulsori a combustione interna e abbinati a pacchi batterie di dimensioni e peso superiori rispetto a quelli dei sistemi ibridi. L'autonomia delle batterie, ricaricabili tramite caricatore esterno o colonnina, varia in funzione del lavoro da svolgere e dell'ambiente operativo. Alcuni nuovi trattori di bassa potenza presentati a fine 2022, montano motori full electric.
Sotto il cofano del prototipo di utility leggero New Holland T4 Electric Power c'è il sistema di propulsione elettrica CNHi composto da un pacco batterie all'avanguardia e da un motore elettrico con potenza massima di 120 cavalli e coppia massima di 440 newtonmetri.
Secondo Saulo Silva, Global Product manager per i modelli Utility Electric di New Holland, "la nuova tecnologia, sviluppata nei nostri centri R&D di Modena e Detroit, permette di mantenere la stessa potenza nominale e capacità di campo del modello diesel equivalente, ma senza dover montare il serbatoio del carburante, il sistema di abbattimento delle emissioni e il pacchetto di raffreddamento". Il pacco batterie può funzionare per un'intera giornata ed è completamente ricaricabile in un'ora mediante sistemi di ricarica rapida.
Prototipo di trattore New Holland T4 Electric Power con sistema di propulsione 100% elettrico
(Fonte foto: New Holland)
Il trattore specializzato Goldoni Keestrack B1e vanta ben 5 motori elettrici prodotti da un fornitore esterno (uno per la trazione, 2 per la Pto, uno per l'impianto idraulico e uno la per pompa di calore) e una gestione software sviluppata da Keestrack e dal partner Rigitrac per il controllo ottimale del mezzo. Il motore principale per la trazione trasforma l'energia elettrica in meccanica direttamente all'assale posteriore e fornisce una potenza nominale di 40 kW o 55 cavalli, con un picco di 50 kW o 68 cavalli. Il software offre 2 strategie di guida regolando il motore per il lavoro in campo (da 0 a 23 chilometri orari) o per il trasporto (da 0 a 40 chilometri orari).
Le regolazioni personalizzabili ottimizzano la capacità di rigenerazione della batteria in frenata, il cruise control e la trazione. Prodotta all'esterno su disegno di Goldoni, la compatta batteria agli ioni litio garantisce capacità di 50 kWh e autonomia fino a 6 ore a seconda dell'applicazione.
Trattore Goldoni Keestrack B1e dotato di 5 motori elettrici
Il trattore compatto Kubota LXe-261 sostituisce il motore endotermico con un inverter e un motore elettrico da 26 cavalli, realizzati da Toshiba. Installato in posizione anteriore sotto il cofano, l'inverter trasforma la corrente continua in ingresso in corrente alternata, variandone frequenza e tensione in modo da controllare la velocità del motore elettrico. L'uso dell'inverter assicura migliori prestazioni, maggiore durata e maggiore silenziosità.
"La corrente è fornita da un pacco batterie agli ioni litio Envision AESC Gen4, concepito per assicurare la massima sicurezza - fa sapere Felice Santarcangelo, Product specialist di Kubota. Il pacco comprende 15 moduli, ognuno composto da 15 celle, e ha capacità nominale di quasi 25 kWh".
Inverter e motore elettrico Toshiba del trattore Kubota LXe-261
(Fonte foto: Kubota)
Il concept di trattore full electric Antonio Carraro eSP, sviluppato insieme alla start up Ecothea, utilizza un motore elettrico da 33,5 cavalli e batterie con capacità di 32 kWh, ricaricabili tramite colonnina. L'Azienda veneta proseguirà lo sviluppo di sistemi elettrificati nell'ambito del progetto Atena (Advanced tractors with electric implements for agricultural green revolution).
L'elettrificazione passa dalle batterie
Le batterie che accumulano energia elettrica sono cruciali quanto i motori per lo sviluppo dell'elettrificazione in agricoltura. Per questo molti costruttori di motori e mezzi agricoli stanno stringendo partnership con aziende specializzate per velocizzare lo sviluppo di sistemi di accumulo avanzati e adatti alle operazioni nei campi.
Nel 2022 FPT Industrial ha realizzato, in collaborazione con l'azienda statunitense Microvast, il pacco batteria agli ioni litio eBS 42 destinato all'ambito agricolo. Grazie all'alta densità energetica e all'elevata flessibilità garantita dalla configurazione multipack, eBS 42 può essere installato su vari tipi di macchinari e rispondere alle esigenze di diversi utenti.
Pacco batteria agli ioni litio eBS 42 di FPT Industrial
(Fonte foto: AgroNotizie)
John Deere, dopo aver acquisito a fine 2021 la quota di maggioranza del produttore austriaco Kreisel Electric, a metà 2022 ha potenziato la produzione nello stabilimento Kreisel a Rainbach im Mühlkrei, in Austria, e ha aperto una nuova divisione dedicata alle batterie nel sito di Saran, in Francia. Obiettivo: sviluppare motori alimentati da pacchi batteria ad alta densità.
Il Produttore americano è partito dallo sviluppo delle batterie che ha poi applicato ai prototipi della sua gamma elettrificata: il trattore ibrido 8R 410 con trasmissione elettrica a variazione continua eAutoPowr e il trattore elettrico Sesam 2, nato in seno al progetto GridCON.
Sesam 2 si distingue per la guida autonoma e per la potenza di 500 kW (680 cavalli) erogata dal motore, alimentato da un pacco batterie da 1.000 kWh che può lavorare no stop per un'intera giornata in pieno campo. Ulteriori novità sono l'escavatore full electric, lanciato alla fiera Ces 2023, e le nuove batterie Kreisel per applicazioni off road, svelate a Conexpo 2023.
Trattore elettrico autonomo John Deere Sesam 2 con motore da 500 kW
Perkins ha approfittato dell'ultimo Conexpo per esporre le sue ultime soluzioni di elettrificazione, tra cui le batterie agli ioni litio da 48, 300 e 600 volt con telematica di fabbrica. Il design modulare delle batterie consente il loro utilizzo in diverse applicazioni off highway, dall'edilizia all'agricoltura.
È recente l'apertura della nuova divisione e-comer per lo sviluppo di motori e trasmissioni destinati ai veicoli elettrici off road di Comer Industries, produttore italiano di sistemi di ingegneria per macchine agricole. I nuovi prodotti verranno realizzati in collaborazione con le neoacquisite Sitem e Benevelli, aziende con un'ampia esperienza nell'elettrificazione.
