[Columna de Kim Yong-joo] Tractor de pila de combustible de hidrógeno: estado de la competencia nacional e internacional en patentes y tecnología, y urgencia de asegurar tecnología nacional

[Columna de Kim Yong-joo] Profesor del Departamento de Ingeniería de Maquinaria de Sistemas de Agricultura Inteligente, Facultad de Ciencias Agrícolas y de la Vida, Universidad Nacional de Chungnam
 

Introducción — En la maquinaria agrícola de gran tamaño, la transición a fuentes de energía ecológicas ya es indispensable

Debido a la continua disminución de la población agrícola, y al aumentar la superficie que debe asumir cada persona, la mecanización en el campo agrícola ha evolucionado con enfoque en equipos de mayor tamaño. Los tractores grandes de más de 100 caballos de fuerza deben realizar durante largos periodos trabajos de alto carga como empuje de arados, rotativas y remolque de implementos grandes, por lo que la estabilidad y continuidad de la fuente de energía son más importantes que nada. Sin embargo, en medio de la reciente corriente mundial hacia la neutralidad de carbono, la introducción de una fuente de energía ecológica que sustituya al motor diésel se ha convertido también en una tarea ineludible en el ámbito de la maquinaria agrícola de gran tamaño.

La cuestión es cuál es la fuente de energía ecológica adecuada para la maquinaria agrícola de gran tamaño. En los automóviles de pasajeros o la maquinaria agrícola pequeña, la batería eléctrica se ha consolidado como una alternativa prometedora, pero tiene límites evidentes para aplicarse tal cual a tractores grandes de más de 100 caballos de fuerza. Las baterías tienen baja energía almacenable por unidad de peso, es decir, baja densidad energética, por lo que para asegurar la energía necesaria para trabajos prolongados de alta carga, la propia batería se vuelve excesivamente pesada. Además, al colocar las baterías dentro del espacio limitado que permite la estructura del tractor, surgen problemas de diseño. A esto se suma el largo tiempo de carga, lo que impone restricciones reales al trabajo continuo en temporada alta agrícola.

La alternativa que recibe atención por poder superar de raíz estas limitaciones es precisamente la pila de combustible de hidrógeno. La pila de combustible de hidrógeno genera electricidad mediante la reacción electroquímica entre hidrógeno y oxígeno, y, además de ser una fuente de energía no contaminante cuyo único producto emitido es agua, ofrece una densidad energética muy superior a la de las baterías y tiempos de recarga cortos.

                        <Figura 1> Comparación de la densidad energética por peso entre baterías de ion de litio e hidrógeno comprimido

Como puede verse en la comparación anterior, la pila de combustible de hidrógeno puede almacenar aproximadamente 4 veces más energía que una batería de ion de litio con el mismo peso. Es decir, para almacenar la misma cantidad de energía, la batería debe ser mucho más pesada que la pila de combustible de hidrógeno. El tractor necesita cierto nivel de peso para asegurar una alta fuerza de tracción, pero un aumento excesivo del peso puede incrementar la compactación del suelo y la resistencia al desplazamiento, y reducir el consumo energético y la eficiencia del trabajo.

        <Figura 2> Comparación del tiempo según el método de carga de batería y pila de combustible de hidrógeno (base 100 kWh)

Además, como muestra la figura anterior, el hidrógeno, al almacenarse y cargarse a alta presión en estado gaseoso, puede reponer energía en poco tiempo, por lo que resulta más ventajoso que el sistema de baterías en el trabajo agrícola real. En el caso de reponer energía del orden de 100kWh, el hidrógeno puede cargarse en unos 3~5 minutos según las condiciones de carga y las especificaciones del recipiente de almacenamiento. En cambio, una batería con cargador rápido de 200kW requiere unos 30~40 minutos, y la carga lenta puede tardar unas 6~10 horas o más. Por lo tanto, en trabajos agrícolas de temporada alta con tiempo limitado o en labores que requieren operación continua durante largos periodos, el sistema de hidrógeno, que puede reducir el tiempo de espera de recarga, puede tener una competitividad relativamente mayor en términos de tasa de utilización del equipo y eficiencia del trabajo.

                 <Figura 3> Principio de generación de potencia y diagrama de flujo del tractor de pila de combustible de hidrógeno (PEMFC)

La figura anterior esquematiza el principio de generación de potencia de un tractor de pila de combustible de hidrógeno. El hidrógeno almacenado en el tanque de almacenamiento reacciona electroquímicamente dentro del stack de la pila de combustible junto con el oxígeno tomado del aire para generar electricidad, y esta electricidad se utiliza básicamente para impulsar el vehículo. Si la potencia producida por la pila de combustible es mayor que la potencia demandada por el vehículo, la energía sobrante se almacena en una batería de alto voltaje o en un supercondensador, que actúan como fuente auxiliar de energía. Por el contrario, si la potencia requerida por el vehículo es mayor que la potencia generada por la pila de combustible, se utiliza también la energía almacenada en la fuente auxiliar. Como tras la reacción solo se emiten agua y energía térmica, se trata de una estructura capaz de sustituir completamente al motor diésel y, al mismo tiempo, lograr cero emisiones (Zero-emission).

<Figura 4> Número de solicitudes de patentes de tractores agrícolas de pila de combustible de hidrógeno por principales empresas nacionales e internacionales (con base en 5 países IP y PCT, publicadas o registradas antes del 1 de julio de 2026)

El dominio absoluto de Kubota de Japón — adelantarse al mercado futuro mediante patentes
La cuestión clave es quién asegurará primero esta tecnología de tractores grandes de pila de combustible de hidrógeno. Quien va más adelantado en esta competencia es Kubota (KUBOTA) de Japón, la tercera empresa mundial de maquinaria agrícola. Kubota presentó por primera vez en el mundo, en la Expo Osaka-Kansai de 2025, un prototipo de tractor autónomo de pila de combustible de hidrógeno de 100 caballos de fuerza. Se evalúa que este tractor puede trabajar de forma continua casi medio día con una sola carga de hidrógeno y que el tiempo de recarga es de apenas unos 10 minutos, lo que constituye un caso que demuestra la eficacia real de la pila de combustible de hidrógeno en la transición ecológica de la maquinaria agrícola de gran tamaño.

La parte que merece aún más atención es la estrategia de patentes de Kubota. Como resultado de comparar el estado de posesión de patentes relacionadas con tractores agrícolas de pila de combustible de hidrógeno entre las principales empresas nacionales e internacionales del sector de tractores agrícolas (KUBOTA, YANMAR, ISEKI, Deere & Company, CNH), Kubota posee un total de 171 patentes, lo que representa alrededor del 82% del total y la sitúa en un abrumador primer lugar. En cambio, el único que sigue a Kubota en este campo era un equipo de investigación de Corea. Estos resultados fueron creados por el equipo de investigación¹ de “desarrollo de un tractor grande de 110kW basado en pila de combustible de hidrógeno ecológica”, formado por industria, universidad e institutos de investigación (19 casos, aprox. 9%).

         <Figura 5> Número de solicitudes de patentes por año de tractores agrícolas de pila de combustible de hidrógeno por principales empresas nacionales e internacionales

Estado de la tecnología nacional — el desafío del consorcio de desarrollo nacional y las tareas pendientes
Como se vio anteriormente, desde 2022 la tasa media anual de aumento de solicitudes de patentes del equipo de investigación nacional es del 18.9%, lo que se queda en una quinta parte del nivel de Kubota (98.3%). Además, de las 19 patentes publicadas en Corea, solo 7 (aprox. 37%) son solicitudes PCT para asegurar derechos en mercados extranjeros, por lo que la capacidad de respuesta al mercado exterior también está muy por debajo de la de Kubota. Sin embargo, también hay un aspecto esperanzador. Mientras Kubota se concentra en patentes especializadas en una estructura que coloca el tanque de hidrógeno en la parte superior de la cabina (techo) de su propia plataforma de tractor, el consorcio nacional de investigación se centra en una estructura que monta el módulo de hidrógeno debajo del asiento del conductor de la cabina y sobre el tren motriz. Esto puede evaluarse como un punto de diferenciación tecnológica, ya que asegura simultáneamente una tecnología de diseño que considera tanto la versatilidad para aplicarse fácilmente a cualquiera de las plataformas de los tres fabricantes nacionales de tractores como la estabilidad del vehículo. 

Conclusión y propuestas — para no perder la ventana de oportunidad
En resumen, la pila de combustible de hidrógeno es una alternativa más realista que la batería para la transición ecológica de la maquinaria agrícola de gran tamaño, y la competencia tecnológica ya ha comenzado. Mientras Kubota, la tercera empresa mundial de maquinaria agrícola, acelera las solicitudes de patentes apoyada en una abrumadora capacidad de capital, en Corea un equipo de investigación de industria, universidad e institutos es prácticamente el único que forma una estructura competitiva. Sin embargo, no se puede asegurar que esta estructura se mantenga en el futuro.

También deben señalarse claramente los obstáculos reales que impiden la comercialización de los tractores de pila de combustible de hidrógeno. La infraestructura de recarga de hidrógeno en Corea sigue centrada en automóviles de pasajeros, y además está construida a lo largo de zonas urbanas y carreteras principales, por lo que en las zonas rurales es difícil encontrar infraestructura de recarga. Por muy excelente que sea el tractor de pila de combustible de hidrógeno que se desarrolle, si no se puede recargar hidrógeno fácilmente cerca de las explotaciones agrícolas, la comercialización inevitablemente será difícil.

Primero, solo con la inversión propia de instituciones de investigación y empresas individuales es difícil seguir el ritmo de desarrollo tecnológico de las empresas líderes extranjeras, que van por delante en capacidad de capital y tamaño de mercado. Aunque el costo inicial de desarrollo sea alto, si mediante inversión continua se eleva la tasa de nacionalización de componentes clave y la escala de producción, a largo plazo puede estabilizarse el precio del sistema. Así como los vehículos eléctricos y la infraestructura de recarga eléctrica superaron sus altos costos iniciales y su limitada viabilidad comercial para crecer como una industria, la maquinaria agrícola de hidrógeno también debe asegurar viabilidad económica y practicidad mediante desarrollo tecnológico continuo e inversión de mercado.

Segundo, para suministrar hidrógeno de forma estable en las zonas rurales, no solo debe construirse infraestructura de recarga, sino también un ecosistema energético agrícola ecológico que vincule orgánicamente la producción, transporte, almacenamiento y recarga del hidrógeno. En particular, como la maquinaria agrícola, a diferencia de los automóviles de pasajeros comunes, se opera durante largos periodos en zonas rurales y lugares de trabajo alejados donde la accesibilidad a estaciones de recarga es baja, solo con estaciones fijas existentes resulta difícil responder eficazmente a la demanda real del trabajo agrícola. Por ello, es necesario desarrollar y demostrar diversos métodos de suministro adecuados a las condiciones regionales y de trabajo, como estaciones móviles de recarga de hidrógeno, instalaciones in situ de producción y recarga de hidrógeno, y sistemas de recarga exclusivos para maquinaria agrícola. La industria de la maquinaria agrícola de hidrógeno no debe limitarse a desarrollar por separado el vehículo y la infraestructura de recarga, sino que debe evolucionar hacia un ecosistema energético agrícola ecológico y sostenible vinculando todo el proceso, desde la producción de hidrógeno hasta el suministro y uso en el lugar de trabajo agrícola, como un único sistema industrial.

Tercero, en el mercado de la maquinaria agrícola de pila de combustible de hidrógeno, tan importante como desarrollar primero la tecnología es asegurar de manera amplia los derechos sobre dicha tecnología. Kubota está preparándose para el futuro mercado mundial al presentar simultáneamente numerosas patentes en varios países mediante reivindicación de prioridad y el sistema de patentes de familia. Actualmente, los investigadores nacionales aún mantienen posibilidades tecnológicas en la competencia con empresas líderes extranjeras. Si los resultados de investigación asegurados hasta ahora no se conectan con desarrollo posterior, demostración, patentes e industrialización, la estructura competitiva formada con gran esfuerzo puede derrumbarse rápidamente. 

Se prevé que el tractor de pila de combustible de hidrógeno, junto con el tractor eléctrico, se convierta en un eje clave que liderará en el futuro el mercado de maquinaria agrícola ecológica. Según qué país tome la iniciativa tecnológica, el mapa de la industria mundial de maquinaria agrícola durante las próximas décadas podría cambiar. En la próxima entrega, se examinarán con mayor detalle las tecnologías de componentes clave de los tractores de pila de combustible de hidrógeno y los casos de demostración nacionales e internacionales.