jueves, 7 de junio de 2018

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.

15 comentarios:

  1. Me ha gustado el análisis del motor eléctrico & combustión. Interesante y para mi desconocido

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  2. Me encanta , esperando la segunda parte con ilusión.

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  3. Hola, felicidades por el blog, en un país donde el conocimiento es materia reservada, lo guardo junto al blog de oftalmología Ocularis.

    Está claro que la transmisión eléctrica es la ideal para un tractor, que pena que no haya ni habrá baterías tan ideales (lo dice uno que vive en una isla fotovoltaica), y un diésel-eléctrico siempre será menos eficiente que el más del 90% de la transmisión por engranajes. Quizás habría que empezar a fabricar el Allis Chalmers D-12 de pila de combustible de 1959, que funcionaba con el barato y ecológico propano.
    Yo sueño con un tractor frutero con cuatro grandes motores eléctricos sin reductora por cubos de rueda y todo lo de dentro vacío. (no se por que llevan todos los motores eléctricos reductora ¿Serían demasiado grandes sin ella?)

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  4. Acabo de leer que Elon Munsk (Tesla, SpaceX), The boring company) a anunciado que sus baterías lograrán bajar de los 100$/kwh, los cambios necesarios esperan tenerlos implementados antes de final de año. Sobre ese precio dos cosas; esos 100 $/kwh son considerados el punto en que el almacenamiento en baterías es mas rentable que el combustible, y que actualmente el precio está en unos 208 $/kwh. De ser real y no solo un guiño a sus accionistas la transición a lo eléctrico se acelerará enormemente en aplicaciones donde una gran autonomía no sea crucial, o al menos hará que los coches eléctricos (y resto de aplicaciones) dejen de ser anecdoticos. Eso sí (esto es una opinión personal), me parece un tanto optimista por dos razones, el litio del que se componen las baterías, que es un recurso no renovable y limitado a unas zonas concretas del mundo, y por otro las redes de distribución y generación eléctrica, que dudo pudieran soportar el incremento de consumo de una masificación. Para un despegue real y sobre todo sostenible pienso debería haber una nueva tecnología de almacenamiento basada en materiales mas comunes y un cambio en el modelo energético; un cambio positivo sería una revolución en la eficiencia de los paneles solares (mas potencia por superficie), ¿os imaginas coches de 500 km de autonomía cargados con el panel del tejado de casa o de la nave?. El cambio también podría ser motivado por algo negativo, como una nueva crisis del petroleo, en cuyo caso opciones menos eficientes serían igualmente rentables.
    Para tomar un poco de perspectiva, hay que volver la vista unos años atrás, en que los concept eléctricos montaban baterías de plomo y motores de escobillas.

    Ahora a esperar la segunda parte de este gran articulo para seguir escudriñando el futuro.

    Fuente: https://www.xataka.com/automovil/tesla-anuncia-bajada-historica-precio-baterias-que-seri-principio-fin-motores-convencionales

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  5. Yo electrico,si,pero con pila de combustible!!
    Las baterias son caras,voluminosas y cuando menos te lo esperes,te dejan tirado. Ademas necesitan su tiempo de recarga.
    Ya hace unos años,NH presento un prototipo de pila de hidrogeno,pero ahi quedo la cosa,hasta hoy no he vuelto a oir nada. Entonces ofrecia hasta tu propia estacion de produccion de hidrogeno,que podias montar en tu cochera para producir tu combustible.

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    1. Es cierto que se habló mucho de aquel NH2 y ahora llevamos ya años sin oir nada. Incluso New Holland se encarga de dar publicidad de sus proyectos de biogas pero nada de nada sobre el NH2 que incluso se hizo una revisión de proyecto.

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    2. La pila de combustible es una buena solución para evitar los eternos tiempos de recarga, de hecho en California ya ruedan bastantes, pero tiene varias pegas; el primero el volumen de los depósitos para almacenar el hidrógeno, pero ese problema es compartido con el volumen (y peso) necesario para las baterías. El hidrógeno realmente es un vector de almacenamiento de la energía eléctrica, y ese es el problema, que es necesaria mucha energía para romper la molécula de agua y obtener el hidrógeno puro, y parte se pierde en el proceso (aunque se han desarrollado catalizadores que disminuyen la energía consumida).
      Hace años hubo prototipos de pila que obtenían el hidrógeno de otros gases, como el metano, pero eran menos eficientes y voluminosas.
      En cuanto a la vida de las baterías; desde Tesla han dicho recientemente que tras estudiar el estado de las que acumulan mas recargas y km, se han encontrado que siguen respondiendo bien, mejor de lo que pensaban.
      Como apunte, recuerdo un articulo de un blog de EEUU sobre un Prius de segunda mano, el que lo compró pudo afinar por un problema con la batería, pero después de desmontarla y revisar las celdas vio que se encontraba en perfecto estado, era un problema con las conexiones.

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    3. Roberto yo soy un fanático de los submarinos y sobre todo me interesan aquellos a los que "se puede llegar" es decir a los SSK (diésel-eléctricos) España está inmersa en el mayor reto tecnológico de su historia con la construcción del primer S-80. Un submarino "anaeróbico" que sin ser nuclear puede pasar varias semanas sin salir a la superficie. Me asombra que se haya optado por tecnología "convencional" y no por la pila de combustible.
      No soy ningún experto y no puedo hablar pero yo no veo claro que la pila de combustible sea una solución tan ideal. Pero bueno, lo importante es que sigamos atentos a los desarrollos que se están sucediendo ahora de forma rápida. Considero que el tiempo de los combustibles fósiles pasó o pasará de forma inmediata. Quizá estemos en el punto de no retorno a esta energía. Veremos.

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    4. Digo que es una buena solución de cara al usuario final, pues puede mantener las mismas costumbres en cuanto a repostares y planificación que con los convencionales, y pasamos del engorro de las baterías, pero desde el punto de vista energético es un desperdicio.
      Lo del submarino imagino que es por evitar tener que desarrollar esa parte, pues el proyecto ya tiene importantes retrasos y sobrecostes, aunque la pila no es precisamente algo novedoso y se ha empleado en lugares tan extremos como en espacio, alimentando al transbordador espacial.
      Sobre los submarinos, hace poco leí sobre los tipo XXI nazis, que para aumentar su autonomía submarina iban a montar otro sistema de propulsión sin recurrir a los motores diésel como en los tipos anteriores .
      https://es.wikipedia.org/wiki/Tipo_XXI

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  6. Entre la reducción del uso del cobalto en las baterías de litio, y este estudio por parte del padre de esa misma tecnología, el futuro eléctrico es mas cercano:

    https://forococheselectricos.com/2018/06/john-b-goodenough-bateria-electrolito-solido-revolucionaria.html

    P.D. Las palabras que no gustan a nadie: peak oil.

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  7. Hay alguna marca que comercialice tractores eléctricos?

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    1. Pues Gerard creo que si. Creo que Fendt comercializa el e100 pero para aplicaciones municipales. De todas formas preguntaré si es así.

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  8. Al hilo de la temática abordada en este artículo y en su parte anterior, me permito sugerir una cuestión que a mi modo de ver sería digna de ser tratada en otro artículo. Me refiero a la conversión de un tractor con motor térmico en un tractor con motor eléctrico.

    Sería a grandes rasgos hacer un estudio de índole divulgativa analizando la viabilidad de esa conversión. En internet en español, apenas he localizado un par de vídeos sobre esto y poco más. En conversión de coches, sí es fácil encontrar más información.

    Desde mi punto de vista sería ventajoso por varios motivos:

    - El tema de contaminación del aire y ecología. A priori parece que un motor eléctrico contaminará menos que uno térmico. Al menos de modo estrictamente local... ya que nos ahorramos las emisiones del tubo de escape.
    - Desde un punto de vista ecológico, considero que contaminará menos aprovechar lo ya fabricado, que tener que hacer otro tractor desde cero aunque su motor fuese menos contaminante de fábrica.
    - Luego también reduciríamos el ruido.
    - Económicamente: es posible que se ahorre un dinero en combustible, aunque habría que mirar cuanto consume, y el coste de la luz. Y además amortizamos mejor las partes del tractor que no será necesario cambiar, chasis, tal vez caja de cambios, circuito hidráulico, etc etc.
    - El motor eléctrico puede dar un par importante, lo cual es apreciado en un tractor.
    - Sentimental: podemos mantener funcionando viejos tractores que de otro modo, irían a la chatarra.

    Seguro que se te ocurren más motivos.

    Y los contras... pues...
    - El coste que pueda tener el motor eléctrico, las baterías, el sistema de gestión de carga y las modificaciones para que funcione (frenos, hidráulica, etc)
    - Cambios en la distribución de pesos, en función de como y donde se ubiquen las baterías y el motor eléctrico.
    - El tema del los papeleos (homologaciones) que a menos que cambie mucho la cosa, en este país son carísimas. Pero... si lo usásemos sólo en terreno privado... tal vez se pudiesen esquivar.
    - Nostálgico: habrá quienes puedan echar de menos el ruido del motor térmico, y las sensaciones que transmite un motor de ese tipo. Aunque como se trata de una máquina para trabajar... pues mientras funcione, y cumpla su función...


    Vamos, que sea 100% viable o no en la práctica, lo veo un tema muy entretenido para los lectores de tu blog.

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    He escrito a toda prisa este texto, así que tal vez haya algunos errores. Mis disculpas.

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