EL TRACTOR ELÉCTRICO, ACTUALIDAD Y ANÁLISIS DE SU FUTURO (I parte)

John Deere SESAM

Entrada que he decidido dividirla en dos. En la I parte analizo las diferencias entre un motor eléctrico y uno de combustión. La parte II se dedica a ver diferencias entre la transmisión que montan los vehículos eléctricos y los convencionales; el mantenimiento de ambos vehículos y en los ejemplos de tractores eléctricos e híbridos que ya están en el mercado (fase de prototipos)

TRACTOR ELÉCTRICO: NO ES LO MISMO QUE “ELECTRIFICAR” EL TRACTOR

Un proceso “de moda” es el de la "electrificación del tractor" agrícola. la idea es perseguir el “All Electric” en la maquinaria agrícola (dirección eléctrica en el tractor; tracción eléctrica en remolques; tractor con Kers o Ers; El proceso imparable de la electrificación del tractor)

Pero ahora no hablo de “electrificar” el tractor si no de un tractor eléctrico

Aclarando: El proceso de electrificación se refiere al accionamiento eléctrico de componentes del tractor (ventilador de refrigeración, compresor del aire acondicionado…) y de aperos enganchados al tractor a través del uso de un generador eléctrico en el propio tractor (motores del henificador, platos centrífugos de una abonadora, motores eléctricos de ayuda a la tracción en un remolque agrícola....); Mientras que el tractor eléctrico es aquel en el que se ha sustituido el motor de combustión por un motor eléctrico y la energía no proviene de gasóleo si no de baterías

COMPARANDO COMPORTAMIENTO: ELÉCTRICO & CONVENCIONAL

La primera y gran diferencia que distingue el comportamiento entre ambos es el enorme par inicial, constante y mantenido que tiene un motor eléctrico.

Sin comparación: Ningún motor térmico puede hacer sombra en valores de arrancada a uno eléctrico

Cargadora eléctrica Kramer

Campo abierto o granja: La realidad es la que indica que el tractor eléctrico está “muy verde” para “campo abierto”. Aunque hay “nichos” de aplicación donde el desarrollo se acelerará como por ejemplo el uso en instalaciones ganaderas, donde no solo al tractor sino también máquinas como cargadoras telescópicas o carros alimentadores eléctricos son alternativa. Las máquinas eléctricas además cuentan con ventajas como el nivel de ruido o la ausencia de emisiones, razones muy apreciadas en el interior de granjas. Además en este tipo de explotación se cuenta con la ventaja de conocer de antemano la demanda de potencia ya que existe una rutina predecible que deja tiempo para la recarga; otra cualidad favorable es que la demanda de potencia es relativamente baja.

MOTOR COMBUSTIÓN & MOTOR ELÉCTRICO

Los motores eléctricos presentan diferencias importantes frente a los térmicos en cuestiones de par y potencia.

En el motor de combustión: La fuerza generada por la explosión de los gases de escape produce una fuerza (N) en “línea recta”. El mecanismo biela-manivela convierte esa fuerza lineal en rotativa. La distancia o palanca de las bieletas del cigüeñal determina el par (fuerza por distancia, Nm)

Veamos la curva 1. Se trata del ensayo de un John Deere 6130 R; una curva de par excelente, con par máximo a 1250 rpm; una curva plana, de par casi constante entre 1000 y 1550 rpm. Un buen fabricante intenta que su motor entregue el máximo par posible lo más rápido y que además dure lo máximo posible (mayor rango de revoluciones) Es por lo que la mayoría de las mejoras desarrolladas en estos motores consiste en hacer que la velocidad de combustión se adapte al régimen de giro. Se intenta mantener el par lo más uniforme posible desde el ralentí hasta el corte de inyección y por ello se han desarrollado sistemas como la inyección directa, la distribución variable, la sobrealimentación variable, el cruce de válvulas…

En el motor eléctrico: Un motor eléctrico transforma la energía eléctrica en energía mecánica. Si la tensión (voltaje) es constante, el par aumenta incrementando la corriente consumida. No dispongo de gráficas de tractor equipado con motor eléctrico pero si son múltiples las curvas de motores que equipan a turismos eléctricos (Nissan Leaf, Tesla Model S, Peugeot iOn, Renault Fluence…)

He elegido la curva del Nissan Leaf (eléctrico) comparando con el Nissan con motor térmico a gasolina 1.6 Observa la curva 2; el par motor es siempre máximo desde las mínimas revoluciones y empieza a disminuir sobre las 3000 rpm. La entrega de par es instantánea y constante ya que el paso de corriente es uniforme. La potencia sube de forma muy uniforme hasta alcanzar el máximo en torno a las 3000 revoluciones y se mantiene constante hasta 10000 vueltas.

Entrega de par, Combustión Vs Eléctrico:

No, no he probado ningún tractor eléctrico, pero si puedo hablar por mi experiencia en el uso de coches eléctricos; una experiencia ganada en los últimos años por ser usuario habitual de los coches de alquiler eléctricos (Car2Go, emov, Drivy…) que tanto se han popularizado en las grandes ciudades (ventajas en el aparcamiento y en los protocolos anticontaminación)

Como usuario de coche eléctrico: Desde el prisma de usuario de coche eléctrico, lo que más sorprende al subirte por primera vez en estos coches es la entrega de par de forma casi instantánea. Esto significa que en los coches se dispone de una aceleración muy superior a los motores de combustión con mucha potencia a velocidades bajas y medias.

Además mientras que un motor térmico no puede girar por debajo del ralentí, el eléctrico gira igual de equilibrado desde 10 a 10.000 rpm.

Dato: El coche de calle Tesla Model SP100 D pasa de 0 a 100 km/h ¡en 2,5´´!; Cifra “bestial” incluso para un F-1, pero es que se quedan eclipsadas ante el prototipo TC-X que va de 0 a 100 en 1,5 ´´ y puede alcanzar 233 km/h en… ¡4,89´´!

Fendt e 100

¿Y por qué desciende el par motor en un motor eléctrico?: Es una pregunta interesante y la contestaré con lo que me ensañaron en mi época de estudiante.
La generación de campos magnéticos son los que originan el movimiento del rotor. Las rotaciones dentro del campo magnético interno causan una fuerza electromotriz que se opone a la tensión de alimentación. La fuerza electromotriz es proporcional a la velocidad de giro. La fuerza neta global del motor es la diferencia de fuerzas: tensión de alimentación y la electromotriz generada. A mayor régimen mayor oposición, de ahí que la curva de par disminuye con el aumento del régimen. A velocidades de giro bajas apenas hay fuerza electromotriz y por lo tanto se equipara la tensión de alimentación con el par de salida.

¿Acelerador o potenciómetro?:

El acelerador del tractor modifica la cantidad de combustible que pasa al motor. En el caso de un tractor eléctrico el “pisar el acelerador” en realidad significa accionar un potenciómetro, una resistencia variable que lo que hace es transmitir la señal al controlador. Así se sabe cuanta energía se debe mandar al motor. El potenciómetro por tanto demanda carga a la batería, el acelerador demanda gasóleo.

Rendimiento energético:

En los motores térmicos la eficiencia energética es la relación entre la energía contenida en el combustible y la energía mecánica ofrecida.

En un motor eléctrico el rendimiento energético se mide como relación entre la energía eléctrica que absorbe y la energía mecánica que ofrece.

Si en un motor térmico obtener eficiencias superiores al 25 % no son posibles debido al calor generado en la combustión que no puede ser aprovechado (se pierde a través del escape, radiador, bloque motor…) en uno eléctrico los datos que se dan son superiores incluso al 90 %

Ojo con los datos de eficiencia: hablar que un vehículo eléctrico tiene una eficiencia del 90 % y uno de combustión difícilmente supera el 20% puede ser engañoso. Esa diferencia “tan abismal” hay que analizarla en todo su conjunto, en la denominada huella energética completa.

Motor eléctrico para coche

Comparando rendimientos: Habría que considerar el rendimiento de la carga de batería y convertir en unidades comparables las cifras de consumo de un motor térmico (1 litro de gasóleo son 10,3 kWh de energía) y otro eléctrico. Pero hay un dato que llama poderosamente la atención, la batería de un tractor de por ejemplo 130 kWh serían solo 12 litros de gasoil.

ELECCIÓN DEL MOTOR ELÉCTRICO

En su mayoría los motores eléctricos utilizados en tractor agrícolas son de inducción trifásicos y capaces de ser refrigerados por aire o por agua. El peso oscila entre los 30 y 45 kg con una velocidad de giro máxima de 12 o 15000 rpm.

Lo normal es contar con el motor eléctrico y la electrónica de potencia como componentes separados aunque también hay casos de integración de ambos componentes o incluso cuando se incorpora transmisión hacerlo en el mismo componente, una ventaja adicional es que se comparte sistema de refrigeración.

¿Síncrono o asíncrono?: Es una elección básica al seleccionar un motor eléctrico. Ambos son de CA pero con la diferencia en que en un motor sincrónico la velocidad de giro es directamente proporcional a la frecuencia de la red que lo alimenta resultando una velocidad de giro constante (dependiente de la frecuencia, de la tensión en la red de alimentación y del número de polos)

MultiToolTrac "todo eléctrico"

En el motor asincrónico, o de inducción, la velocidad de giro se genera por inducción electromagnética de la bobina del estator. Depende de la corriente que necesita el rotor (jaula de ardilla o bobinado) y la velocidad de giro es un poco menor por el denominado “resbalamiento”.

En cuestión de precios, un motor síncrono es más caro que el asíncrono ya que requiere dos alimentaciones, una de CA y otra de CC. En el síncrono se requiere un arrancador especial que se inicia con CA y continúa, cuando entra en sincronía, con CC. Es por tanto más fácil de dañar por no entrar la excitación a tiempo.
Continuar leyendo: El tractor eléctrico, actualidad y análisis (II Parte)