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Tractores con nuevas fuentes de energía

Tractores con nuevas fuentes de energía

Los motores que equipan los tractores han sufrido grandes reformas en los últimos años para cumplir las exigencias de reducción de emisiones. La cuestión ahora no es si se puede contaminar aún menos, lo cual ya es muy difícil con los motores diésel, sino cuándo el gasóleo será sustituido por otras fuentes de energía más limpias y renovables. Esta sustitución no será drástica, sino que primero pasará por una fase gradual en la cual el gasóleo obtenido del petróleo sea complementado con energía procedente de otras fuentes.­­

Jacinto Gil Sierra. Dr. Ingeniero Agrónomo.

La primera fase de sustitución de los combustibles fósiles, en la que ya estamos inmersos, con­siste en modificar adecuada­men­te los motores para que, funcionando con el mismo método de quema de un com­bustible, se utilicen productos renovables obtenidos en las explotaciones agrarias. En el caso del combustible diésel, utili­za­do en los tractores agrícolas, su alter­na­tiva renovable son los ésteres metílicos obtenidos de aceites vegetales (girasol o colza) y el metano que se produce en la fermentación de materia orgánica. A par­tir de la producción de 1 hectárea de cultivos energéticos, se puede obtener un biocombustible equivalente a una can­tidad de gasóleo entre 1.000 y 3.000 li­tros.

Biodiésel

Desde hace algunos años, el gasóleo procedente del petróleo se está mezclando con el llamado biodiésel, que es el combustible semejante obtenido a partir de aceites vegetales. Las empresas pe­troleras realizan la mezcla y los motores de los tractores están preparados para funcionar con una mezcla de combustible de origen mineral y de origen orgánico, admitiendo determinada proporción máxima de este último.

El usuario del tractor, cada vez que reposta, generalmente está introduciendo en el depósito esta mezcla. Los manuales de los tractores indican cuál es la proporción máxima de biodiésel que admite el motor. Por ejemplo, el manual de un tractor actual de una marca puntera que tengo a mano en este mo­mento, entre las especificaciones del mo­tor indica lo que muestra el cuadro I. Esto es, que el motor de ese tractor admite mezclas de hasta el 7% de biodiésel con el gasóleo de origen mineral, pero la existencia de las dos filas inferiores da a entender que puede haber tractores actuales cuyo motor admita hasta el 20% o la totalidad del 100% de biodiésel, y por eso es­pecifican la negativa. Ya ha habido tractores que admitían ma­yor cantidad de biodiésel.

Cuadro I. Ejemplo de manual de los tractor en el que se indica cuál es la proporción máxima de biodiesel que admite el motor.
Biodiésel hasta 7% S/N
Biodiésel hasta 20% S/N No
Biodiésel hasta 100% S/N No

En 2013 John Deere presentó un tractor cuyo motor tenía un sistema sofisticado de regulación, pudiendo funcionar con una mezcla de gasóleo mineral y biodiésel en cualquier proporción (desde el 0% hasta el 100%). Un sensor instalado en el único depósito de combustible comprobaba las propiedades de este y el motor se regulaba de acuerdo a la proporción de cada tipo de combustible en él contenido. Desde 2018 Valtra comercializa tractores que funcionan con biodiésel 100%. La mezcla de ga­sóleo y biodiésel que se vende en las gasolineras se identifica con la letra B (inicial de Biodiésel) seguido de una cifra que es la proporción de biodiésel en la mezcla; así, por ejemplo, en­contramos B7 (7% combustible de origen vegetal y 93% de gasóleo mineral) o B10, los cuales no suelen presentar problemas en el funcionamiento de la mayoría de los motores ac­tuales.

Hay otras técnicas que permiten complementar el gasóleo para reducir en lo posible su consumo, aunque siga siendo la fuente de energía básica. Se investiga la posibilidad de añadir un acumulador hidráulico que funcione como reserva de energía, manteniendo como fuente de energía principal el motor diésel. De este modo, en las frenadas se almacena aceite a presión en los acumuladores y esa energía se utiliza al iniciar una nueva propulsión. En ensayos recientes realizados en Argentina con un tractor híbrido que lleva instalado este sistema, se han alcanzado ahorros de combustible de hasta el 30%.

Biogás

Varias marcas de tractores se han interesado por el uso de biogás como combustible. El biogás está compuesto principalmente de metano, y se obtiene mediante la fermentación de productos orgánicos.

En 2010 Valtra presentó un prototipo de tractor funcionando con biogás. La evolución de esta tecnología condujo a fabricar en 2013 una serie limitada de tractores funcionando con biogás llamados Dual Fuel, y se intentó la penetración en Rusia para que funcionase con el gas natural que abunda en ese país. El depósito de gas se situó en el lado derecho del tractor. En el primer modelo de prueba, la capacidad del de­pósito de gas era de 170 litros, donde el gas almacenado a una presión de 200 bar contiene una energía equivalente a unos 30 litros de gasóleo.

Cuando el motor funciona con biogás o gas natural, el gas se introduce junto con el aire de admisión y la combustión se produce al inyectar una pequeña cantidad de gasóleo en el cilindro. El gasóleo inicia la combustión, pero es el gas el que aporta entre el 70 y 80% de la energía. Tanto el sistema de alimentación de gas como el de inyección de gasóleo están controlados electrónicamente para optimizar la relación gasóleo/gas. Si no se dispone de gas, el tractor puede funcionar solo con gasóleo.

Tractor New Holland T6 Methane Power.

New Holland ha desarrollado el motor que funciona con metano producido por fermentación de residuos agrícolas. Este desarrollo abarca varios modelos sucesivos. El primer prototipo fue presentado en el año 2013. A finales del año 2019, se concedió al modelo T6 Methane Powered Concept, que ya había sido presentado antes, el galardón “Sustainable Tractor of the Year”, que es una nueva categoría creada dentro del galardón Tractor del Año que se viene concediendo en Eu­ro­pa desde hace tiempo.

En esas mismas fechas, el T6 Methane Power Tractor (con una potencia de 180 CV) fue presentado en la feria Agritechnica 2019 celebrada en Alemania, y desde el año 2020 se ofrece en el mercado. Este tractor es, por ahora, la culminación del programa de New Holland para utilizar combustibles “limpios”. Utiliza biometano que los agricultores podrían producir mediante la fermentación de residuos en un digestor.

No obstante, hasta que en las explotaciones se cuente con producción propia de metano, se puede abastecer de gas natural comprimido que ofrecen las em­presas gasísticas. Reduce en un 99% la emisión de partículas sólidas y en un 80% las emisiones­ totales respecto a un motor diésel convencional. El depósito de gas ocupa en el tractor la misma posición que el de gasóleo en los modelos estándar de la serie T6. Para aumentar la autonomía, se puede montar un depósito de gas adicional en el enganche delantero o en los brazos de enganche traseros.

Tractor eléctrico

La alternativa al uso de combustibles re­novables o limpios es el tractor eléctrico. Hay dos formas de conseguir que un tractor funcione con electricidad. Una es disponer en el tractor de una sustancia, almacenada en un depósito, que genere la electricidad. Otra es instalar en el tractor baterías recargables con la capacidad de almacenaje suficiente para propulsar el tractor y todos sus dispositivos. Con la electricidad no solo se consigue reducir o eliminar por completo las emisiones, sino también reducir muchísimo el ruido emitido por el tractor. El zumbido suave que producen los motores eléctricos no genera incomodidad, aunque trabajen cerca de viviendas o por la noche.

Tractor eléctrico de Allis Chalmers (1959) con los depósitos de gases cuya reacción generaba electricidad.

Tanto en la propulsión con metano, como con hidrógeno o electricidad, las marcas que han desarrollado prototipos indican que la si­tuación ideal es que las empresas agrícolas sean autosuficientes desde el punto de vista energético, dado que en el cam­po es factible tener digestores de residuos agrícolas, paneles solares fotovoltaicos o aerogeneradores productores de electricidad.

Provocar una reacción para generar electricidad y, con ella, propulsar el tractor, es una idea acariciada desde hace tiempo. La marca pionera fue Allis Chalmers, la cual en 1959 presentó su tractor eléctrico, siendo el primer tractor accionado por la electricidad generada en pilas instaladas en el vehículo. Se aprovechó el chasis del modelo D12 que la marca fabricaba entonces, pero tenía poco parecido con él.

El espacio normalmente ocupado por el motor y la transmisión contenía las pilas que generaban la electricidad, ad­quiriendo el aspecto de una caja prismática delante del puesto de conducción. Debajo del chasis y junto al conductor se instalaron sendos depósitos de oxígeno y de propano. Estos dos gases reaccionaban en las pilas, generando una corriente eléctrica que accionaba un motor de 20 CV. Los subproductos de la reacción química eran agua y CO2. El conductor disponía de mandos para controlar la intensidad de la corriente que salía de las baterías (regulando así la velocidad del tractor) y su polaridad (con lo que decidía el sentido de avance). El único prototipo fabricado (su coste hizo prohibitiva la explotación comercial) se exhibe actualmente en un museo de Estados Unidos.

Figura 1. Esquema del tractor New Holland accionado por el hidrógeno almacenado en el depósito situado en el capó, delante del puesto de conducción.

Otra sustancia susceptible de utilizarse como generadora de electricidad es el hidrógeno. New Holland presentó su primer prototipo de tractor accionado por hidrógeno en la feria SIMA de París en 2009. Al combinarse el hidrógeno con el oxígeno se forma agua (único subproducto, que se desprende en forma de vapor), y generando electricidad en el proceso que era utilizada para propulsar motores eléctricos que impulsaban el vehículo (figura 1). En aquel momento la potencia generada era 50 kW.

La empresa siguió investigando en esta línea y en 2011 presentó en la feria Agritechnica de Ale­ma­nia un nuevo prototipo dotado de 100 kW de potencia que pudiera cubrir los requerimientos de un tractor convencional, tan­to en tareas de campo como de transporte. La electricidad generada propulsa dos motores eléctricos instalados en el tractor, uno para accionar las ruedas a través de una transmisión continua (puede alcanzar una velocidad de hasta 50 km/h) y otro para la toma de fuerza y demás dispositivos.

La autonomía conseguida con el hidrógeno almacenado en el depósito puede llegar hasta 3 horas, dependiendo de la carga de trabajo. Algunas unidades de este prototipo ya han trabajado varios años en explotaciones que tienen disponibilidad de hidrógeno. El hidrógeno puede ser obtenido mediante electrolisis del agua provocada por la energía eléctrica de un sistema fotovoltaico o a partir del gas generado en la fermentación de materia orgánica en un digestor.

Una evolución del uso de hidrógeno como combustible, que New Holland ya ofrece en el mercado y puede generalizarse antes, es el sistema llamado Dual Fuel. Se trata del tractor dotado de un motor de explosión que puede funcionar con una mezcla de hidrógeno y gasóleo, o 100% gasóleo si no hay disponibilidad de hidrógeno. El hidrógeno entra en el cilindro mezclado con el aire durante la carrera de admisión. Después de comprimirlo se inyecta una pequeña cantidad de gasóleo y arde, provocando la reacción del hidrógeno con el oxígeno contenido en el aire. Es decir, este es un sistema semejante al Valtra Dual Fuel, con la diferencia de que el gas utilizado es hidrógeno y no metano o gas natural.

El tractor eléctrico, dotado de una batería de litio, es una alternativa con la que ya están investigando las empresas punteras del sector de tractores agrícolas. Fa­bricar una batería de litio es un proceso complejo; uno de sus problemas es su vida útil, otro qué hacer con los desechos y un tercero, el tiempo de recarga.

Tractor eléctrico SESAM de John Deere con el capó levantado para mostrar la batería en la que se almacena energía eléctrica.

Quizás el proceso más avanzado de tractor eléctrico con batería sea el desarrollado por John Deere. Esta empresa presentó en la SIMA de París del año 2017 el tractor con batería eléctrica llamado SESAM (siglas de Sustainable Energy Supply for Agricultural Machinery). La batería está integrada en un chasis estándar de los tractores de la serie 6R y proporciona una potencia máxima de 130 kW.

La batería alimenta dos motores eléctricos. Un motor eléctrico acciona la transmisión tipo CVT que lleva el movimiento a las ruedas y el otro la toma de fuerza y la bomba del sistema hidráulico. Es posible acoplar ambos motores para utilizar la potencia de ambos en la transmisión o en la toma de fuerza más el sistema hidráulico. Ac­tuando sobre el motor que acciona la transmisión y sobre esta misma, se consigue una gama de velocidades de avance de entre 3 y 50 km/h.

La autonomía que se alcanza con la batería es de 4 ho­ras en trabajos de campo utilizando los dos motores eléctricos, y 55 kilómetros si solo se utiliza el motor que acciona las ruedas en tareas de transporte. Cuando se descarga, tarda de 3 a 4 ho­­­ras en recargarse. En los momentos en que el tractor desacelera, la energía que pierde al reducir velocidad se utiliza para re­cargar la batería. Se estima que la vida útil de la batería puede alcanzar algo más de 3.000 recargas.

Tractor eléctrico John Deere GridCON alimentado con cable. En primer término, el brazo telescópico que va tendiendo el cable en el suelo por fuera de la franja trabajada.

La misma empresa dio un nuevo paso a finales de 2018 con el tractor eléctrico que, en vez de cargar baterías, recibe la corriente a través de un cable. Es el proyecto denominado GridCON. No tiene puesto de conductor, dado que es autónomo, y lleva en el enganche delantero una devanadera en la que está enrollado un cable de 1 kilómetro de longitud (se pueden instalar cables de mayor longitud).

El cable se conecta a una fuente eléctrica situada en un borde del terreno en el que se va a dar una labor con un apero. Al alejarse trabajando una franja, el cable se va desenrollando y un brazo robotizado lo deja extendido sobre el terreno justo por fuera de la franja trabajada. Al llegar al final de la parcela, el tractor gira en la cabecera sin pisar el cable y comienza la pasada de vuelta recogiendo y enrollando el cable que quedó extendido sobre el terreno.

La máxima velocidad de trabajo es 20 km/h. Durante el trabajo el tractor sigue líneas preestablecidas de forma totalmente autónoma, aunque también se puede guiar manualmente mediante un control remoto. Bajo su capó hay dos motores eléctricos, uno con una potencia de 100 kW para accionar las ruedas a través de una transmisión y otro de 200 kW para accionar los aperos.

Debido al altísimo coste de las baterías, de las que este tractor carece, su coste es aproximadamente la mitad de un tractor eléctrico semejante que tuviese baterías. Su peso total, teniendo en cuenta que no tiene puesto de conducción ni cabina, pero sí tiene el cable enrollado, y tiene mo­tores eléctricos en vez de motor diésel, es 8.500 kg, aproximadamente el mismo que un tractor estándar John Deere que desarrolle la mi­tad de potencia.

Tractor Fendt e100 Vario trabajando en el campo y detalle del momento de conectar el cable para recargar su batería.

El grupo Agco se ha incorporado más recientemente a la búsqueda de una tractor eléctrico. En 2018 lanzó un tractor eléctrico de 50 kW ideado para trabajar en las ciudades, donde sus ventajas de no contaminar y no emitir ruido son más apreciadas. Es una versión con batería del Fendt e100 Vario. Tiene una autonomía de una jornada de trabajo y la batería, de ion-litio, se recarga hasta un 80% de su capacidad en solo 40 minutos.

También hay prototipos o preseries eléctricos de otros tipos de máquinas agrícolas autopropulsadas, como son las cargadoras telescópicas.

Todas estas propuestas se están encontrando todavía con un precio elevado, además del precio de la batería como pieza de recambio, y la limitación de au­to­nomía. Habrá que esperar avances en el diseño de baterías para que se difunda el uso de la electricidad en las máquinas agrícolas. Además, se da la paradoja de que fabricar una batería es un proceso muy contaminante, por lo que las emisiones de CO2 que se evitan en el vehículo eléctrico ya se han enviado antes a la atmósfera.