[Columna de Kim Yong-ju] Estado del desarrollo de tractores de pila de combustible de hidrógeno

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

El tractor de pila de combustible de hidrógeno es un gran proyecto del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Asuntos Rurales en el que se invierten unos 30.000 millones de wones durante 5 años a partir de 2022. Este proyecto, dirigido por la Universidad Nacional de Chungnam, puede considerarse el proyecto de mayor escala como tarea única del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Asuntos Rurales, con la participación de 19 instituciones, entre ellas Hyundai Motor Group, que suministra pilas de combustible de hidrógeno, y fabricantes completos de maquinaria agrícola como LS Mtron, Daedong, TYM y otros. Esta investigación está compuesta por 4 grupos de investigación para diseñar un tractor de pila de combustible de hidrógeno de clase 110kW. Está formada por el grupo de diseño del tren motriz eléctrico y del tractor, el grupo de diseño del sistema de propulsión y el chasis, el grupo de diseño del sistema de potencia y el grupo de seguridad.

Este proyecto presenta varios aspectos desafiantes, además de desarrollar el primer tractor de pila de combustible de hidrógeno del mundo. En primer lugar, el mayor desafío es aplicar a un tractor la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno, que se ha aplicado recientemente también a los automóviles ecológicos. Para ello, se requiere el diseño y la optimización del sistema de potencia para poder responder a trabajos continuos de alta carga, y al mismo tiempo es necesario mejorar diversas leyes e instituciones.
En particular, para aplicar productos de hidrógeno de alta presión a los tractores fue necesario revisar y modificar las leyes relacionadas. El equipo de investigación solicitó primero un sandbox regulatorio para el desarrollo del vehículo, y, con base en lo obtenido durante el proceso de desarrollo, completó los preparativos para establecer códigos de prueba tras varias reuniones consultivas con el fin de preparar la regulación. A partir de 2027 se promulgarán las normativas pertinentes, y se han finalizado todos los preparativos para que el tractor de pila de combustible de hidrógeno pueda comercializarse también desde el punto de vista institucional.

El segundo es el diseño de una nueva plataforma de tractor. Tradicionalmente, todos los tractores desarrollados en el país tienen una estructura sin bastidor(Frameless construction) que soporta la carga de la carrocería conectando el motor·la transmisión·el eje trasero·y la carcasa. El operador trabaja subiendo y sentándose en el puesto de conducción colocado sobre la transmisión del tractor. Si bien esta estructura tiene la ventaja de poder aplicar tecnología de electrificación utilizando tal cual los componentes clave existentes, presenta limitaciones de espacio para montar diversos componentes de pila de combustible de hidrógeno, como la pila de combustible de hidrógeno, y el tanque de hidrógeno.

Por lo tanto, si se instala un tanque de hidrógeno en la estructura de un tractor existente, debe adoptarse un método en el que el tanque de hidrógeno se monte sobre el techo, como en el tractor de pila de combustible de hidrógeno de Kubota, pero con esta estructura es difícil garantizar la seguridad del tanque de hidrógeno en caso de vuelco. Además, al tener que desarrollar un techo exclusivo que incluya el tanque de hidrógeno, también resulta difícil aplicarlo a diversas líneas de tractores.

Para superar estas limitaciones, este proyecto diseñó un bastidor exclusivo para tractores de pila de combustible de hidrógeno que facilita la instalación del tanque de hidrógeno, y con él diseñó una plataforma exclusiva para pilas de combustible de hidrógeno. Puede decirse que esta plataforma es un nuevo intento que aún no se ha aplicado en el ámbito de la maquinaria agrícola nacional. La plataforma exclusiva tiene la ventaja de asegurar el espacio necesario para montar el sistema de pila de combustible de hidrógeno, al tiempo que puede ser utilizada en común por varias empresas de maquinaria agrícola. Por último, la estandarización de la plataforma en este proyecto va más allá de la estandarización entre empresas de maquinaria agrícola, ya que fue diseñada para que los modelos tripulados y no tripulados tengan la misma plataforma.

La plataforma común de pila de combustible de hidrógeno fue diseñada para que en la parte inferior del chasis puedan instalarse tanto los componentes de propulsión, como el motor, el inversor, la transmisión, etc., como los dispositivos de energía, incluido el tanque de hidrógeno, por lo que ofrece la ventaja de que las empresas nacionales de tractores pueden aprovechar toda la plataforma mediante la instalación de su propia cabina y, al mismo tiempo, la ventaja de poder utilizarla como vehículo no tripulado al excluir la cabina. Por lo tanto, este proyecto de pila de combustible de hidrógeno puede considerarse una tarea desafiante que desarrolla la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno y, al mismo tiempo, confirma la posibilidad de estandarizar una nueva plataforma dedicada a la electrificación.

En particular, para reflejar las características de trabajo propias de los tractores, la plataforma del tractor de pila de combustible de hidrógeno está compuesta por tres tipos de motores: motor de tracción, motor PTO y motor hidráulico, que accionan el tractor. Esta estructura puede contar con una transmisión relativamente más simple que la de los motores de combustión interna existentes, y con ello puede aumentar la eficiencia de transmisión de potencia. Además, como el paquete de potencia de pila de combustible de hidrógeno tiene mayor eficiencia que el motor, que es la fuente de potencia de los motores de combustión interna, tiene la ventaja de poder realizar labores agrícolas de forma más eficiente utilizando la misma fuente de energía.

La tarea del tractor de pila de combustible de hidrógeno ya ha completado su desarrollo como nueva fuente de energía ecológica, plataforma electrificada exclusiva y estandarizable, y plataforma de próxima generación que puede aplicarse simultáneamente a modelos tripulados y no tripulados, y está realizando pruebas para la estabilización final del vehículo. Para verificar el rendimiento del tractor, se está probando con el mismo método que los tractores de combustión interna existentes, de acuerdo con el método de ensayo de rendimiento de tractores de la Agencia Coreana de Promoción de Tecnología Agrícola, pero se requiere aplicar un método de ensayo separado conforme a la configuración de 3 motores. Este método de ensayo, además de las pilas de combustible de hidrógeno, puede utilizarse en todos los tractores eléctricos que se accionan o trabajan utilizando uno o más motores en lugar del motor de combustión interna existente, y a través de esta investigación se está desarrollando dicho método de ensayo.

Actualmente, el tractor de pila de combustible de hidrógeno ha completado el desarrollo de prototipos de tractores tripulados y no tripulados, y, tras completar las pruebas de rendimiento, se han finalizado los preparativos para su comercialización. No obstante, para su uso real en explotaciones agrícolas es necesario mejorar los sistemas legales e institucionales, así como los relativos a la recarga, la seguridad, etc.. Al mismo tiempo, es necesario preparar medidas como subvenciones para maquinaria agrícola ecológica con el fin de ampliar el mercado.