[Колонка Ким Ён Джу] Текущее состояние разработки трактора на водородных топливных элементах

[Колонка Ким Ён Джу] Профессор кафедры машиностроения систем умного сельского хозяйства Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни Университета Чуннам

Трактор на водородных топливных элементах — это крупный проект Министерства сельского хозяйства, продовольствия и сельских дел, реализуемый с 2022 года в течение 5 лет с вложением около 300 млрд вон. В этом проекте, возглавляемом Университетом Чуннам, участвуют Hyundai Motor Group, поставляющая водородные топливные элементы, производители готовой сельскохозяйственной техники LS Mtron, Daedong, TYM и другие; всего в нем задействовано 19 организаций, что делает его крупнейшим единым проектом Министерства сельского хозяйства и продовольствия. Данное исследование для проектирования трактора на водородных топливных элементах класса 110kW состоит из 4 исследовательских групп. E-группа проектирования силового привода и трактора, группа проектирования приводной системы и шасси, группа проектирования энергетической системы и группа безопасности.

Помимо разработки первого в мире трактора на водородных топливных элементах, у данного проекта есть и несколько других сложных аспектов. Прежде всего, главная задача состоит в применении к трактору технологии водородных топливных элементов, которая лишь недавно стала использоваться даже в экологичных автомобилях. Для этого необходимы проектирование и оптимизация энергетической системы, способной выдерживать непрерывную работу при высокой нагрузке, а также одновременно требуется совершенствование различных законов·и институтов регулирования.
В частности, для применения изделий высокого давления для водорода в тракторе требовались рассмотрение и пересмотр соответствующих законов. Исследовательская группа сначала подала заявку на регуляторную «песочницу» для разработки транспортного средства, а на основе данных, полученных в ходе разработки, через несколько консультационных совещаний завершила подготовку к установлению испытательного кодекса для формирования регулирования. 2027 года соответствующие нормативные акты будут приняты, и все подготовительные меры будут завершены, чтобы тракторы на водородных топливных элементах могли коммерциализироваться и на институциональном уровне.

Второе — это проектирование новой тракторной платформы. Традиционно все тракторы, разрабатываемые в стране, имеют безрамную конструкцию(Frameless construction), в которой двигатель·трансмиссия·задняя ось·корпус соединены между собой и поддерживают массу машины. Оператор работает, размещая водительское место над трансмиссией трактора и находясь на нем. Такая конструкция имеет преимущество в том, что позволяет применять технологии электрификации, используя существующие ключевые компоненты без изменений, но имеет пространственные ограничения для размещения различных компонентов водородной топливной системы, таких как водородный топливный элемент, водородный бак и другие.

Поэтому при установке водородного бака на существующую конструкцию трактора, приходится выбирать способ размещения водородного бака на крыше, как у трактора Kubota на водородных топливных элементах, однако при такой конструкции трудно обеспечить безопасность водородного бака при опрокидывании. Кроме того, необходимо разрабатывать специальную крышу с водородным баком, что затрудняет применение такой схемы к различным линейкам тракторов.

Чтобы преодолеть эти ограничения, в данном проекте была разработана специальная рама для трактора на водородных топливных элементах, облегчающая установку водородного бака, и с ее использованием была спроектирована специализированная платформа для водородных топливных элементов. Эту платформу можно назвать новой попыткой, которая до сих пор не применялась в отечественной отрасли сельскохозяйственной техники. Специализированная платформа имеет преимущество в том, что обеспечивает пространство, необходимое для установки системы водородных топливных элементов, и при этом может совместно использоваться несколькими производителями сельскохозяйственной техники. Наконец, особенность унификации платформы в данном проекте состоит в том, что она спроектирована не только для совместного использования разными компаниями сельхозтехники, но и так, чтобы пилотируемые и беспилотные машины имели одну и ту же платформу.

Унифицированная платформа водородных топливных элементов спроектирована так, чтобы в нижней части шасси можно было установить все приводные узлы — двигатель, инвертор, трансмиссию и другие — а также энергетические устройства, включая водородный бак; поэтому у отечественных тракторных компаний есть преимущество возможности полного использования платформы путем установки собственной кабины, и одновременно есть преимущество возможности использования ее в беспилотном варианте при исключении кабины. Следовательно, данный проект водородных топливных элементов можно назвать амбициозной задачей, которая одновременно развивает технологию водородных топливных элементов и проверяет возможность унификации новой электрифицированной платформы.

В частности, платформа трактора на водородных топливных элементах, чтобы отражать рабочие особенности трактора, состоит из трех двигателей: ходового двигателя, PTO двигателя, и гидравлического двигателя, которые приводят трактор в движение. Такая конструкция позволяет иметь относительно простую структуру трансмиссии по сравнению с существующим двигателем внутреннего сгорания, и за счет этого можно повысить эффективность передачи мощности. Кроме того, поскольку силовой модуль на водородных топливных элементах эффективнее двигателя, являющегося источником мощности у ДВС, он имеет преимущество: сельскохозяйственные работы можно выполнять более эффективно, используя тот же источник энергии.

Проект трактора на водородных топливных элементах теперь завершил разработку как платформы следующего поколения, в которой применяются новый экологичный источник энергии, унифицируемая специализированная электрифицированная платформа, а также возможность одновременного применения для пилотируемых и беспилотных машин, и проводит испытания для окончательной стабилизации транспортного средства. Для проверки характеристик трактора испытания проводятся тем же способом, что и для существующих тракторов с ДВС, согласно методике испытаний характеристик тракторов Корейского агентства по продвижению сельскохозяйственных технологий, однако на практике необходима отдельная методика испытаний с учетом конфигурации из 3 двигателей. Такая методика испытаний может использоваться не только для водородных топливных элементов, но и для всех электрических тракторов, которые приводятся в движение или выполняют работы с помощью одного или нескольких двигателей вместо существующего ДВС; в рамках данного исследования эта методика испытаний разрабатывается.

В настоящее время по трактору на водородных топливных элементах завершена разработка прототипов пилотируемого и беспилотного тракторов, а также завершены испытания характеристик, благодаря чему подготовка к коммерциализации завершена. Однако, для реального использования в фермерских хозяйствах необходимо совершенствование законов·и институтов, а также систем, связанных с заправкой, безопасностью и другими вопросами. В то же время требуется разработать меры поддержки, такие как субсидии на экологичную сельскохозяйственную технику, для расширения рынка.