[Колонка Ким Ёнчжу] Водородный топливный трактор: состояние конкуренции в патентах и технологиях в Корее и за рубежом и срочность обеспечения отечественных технологий

[Колонка Ким Ёнчжу] Профессор кафедры инженерии машин для систем умного сельского хозяйства Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни Национального университета Чхуннам
 

Введение — для крупной сельхозтехники переход на экологически чистые источники энергии теперь обязателен

Из-за продолжающегося сокращения сельского населения и роста площади, приходящейся на одного человека, механизация в сельском хозяйстве развивалась с акцентом на укрупнение техники. Крупные тракторы мощностью свыше 100 лошадиных сил должны в течение длительного времени выполнять высоконагруженные работы, такие как пахота, работа с роторными орудиями и буксировка крупногабаритных агрегатов, поэтому стабильность и непрерывность источника энергии имеют первостепенное значение. Однако в последнее время на фоне глобального курса на углеродную нейтральность внедрение экологически чистых источников энергии взамен дизельных двигателей стало неизбежной задачей и в сфере крупной сельхозтехники.

Проблема в том, какой именно экологически чистый источник энергии подходит для крупной сельхозтехники. В легковых автомобилях и малой сельхозтехнике электрические батареи уже заняли место вероятной альтернативы, однако их прямое применение к крупным тракторам мощностью свыше 100 лошадиных сил имеет очевидные ограничения. У батарей низкая энергия, которую можно хранить на единицу массы, то есть низкая энергетическая плотность, поэтому для обеспечения энергии, необходимой для длительной высоконагруженной работы, сама батарея становится чрезмерно тяжелой. Кроме того, при размещении батарей в ограниченном пространстве, предусмотренном конструкцией трактора, возникают проектные проблемы. К этому добавляется и длительное время зарядки, что создает практические ограничения для непрерывной работы в разгар сельскохозяйственного сезона.

Именно водородный топливный элемент привлекает внимание как альтернатива, способная принципиально преодолеть эти ограничения. Водородный топливный элемент вырабатывает электричество за счет электрохимической реакции водорода и кислорода; это безвредный источник энергии, выбрасывающий только воду, при этом он обладает значительно более высокой энергетической плотностью и более коротким временем заправки по сравнению с батареями.

                        <Рисунок 1> Сравнение энергетической плотности на единицу массы литий-ионной батареи и сжатого водорода

Как видно из приведенного сравнения, водородный топливный элемент может хранить примерно в 4 раза больше энергии при той же массе, чем литий-ионная батарея. Иными словами, для хранения одинакового количества энергии батарея должна быть значительно тяжелее водородного топливного элемента. Трактору необходим определенный уровень массы для обеспечения высокой тяговой силы, однако чрезмерное увеличение массы может повысить уплотнение почвы и сопротивление движению, а также снизить энергoэффективность и производительность работы.

        <Рисунок 2> Сравнение времени пополнения энергии батареи и водородного топливного элемента в зависимости от способа зарядки (на основе 100 kWh)

Кроме того, как показано на рисунке выше, водород хранится и заправляется в газообразном состоянии под высоким давлением, поэтому энергию можно пополнить за короткое время, что в реальных условиях сельскохозяйственных работ выгоднее по сравнению с батарейной схемой. При пополнении энергии на уровне около 100kWh водород можно заправить примерно за 3~5 минут в зависимости от условий заправки и характеристик резервуара для хранения. В то же время батарея с применением быстрой зарядки мощностью 200kW требует около 30~40 минут, а медленная зарядка может занять около 6~10 часов и более. Следовательно, в сельскохозяйственных работах, где время ограничено сезоном полевых работ или требуется длительная непрерывная эксплуатация, водородная схема, позволяющая сократить время ожидания заправки, может обладать относительно более высокой конкурентоспособностью с точки зрения коэффициента использования техники и эффективности работ.

                 <Рисунок 3> Принцип выработки энергии и блок-схема водородного топливного (PEMFC) трактора

На рисунке выше схематично показан принцип выработки энергии водородным топливным трактором. Водород, хранящийся в резервуаре, вместе с кислородом, поступающим из воздуха, вызывает электрохимическую реакцию внутри стека топливных элементов, в результате чего вырабатывается электричество, и это электричество в основном используется для приведения машины в движение. Если мощность, вырабатываемая топливным элементом, превышает требуемую мощность машины, избыточная энергия сохраняется во вспомогательном источнике питания — высоковольтной батарее или суперконденсаторе. И наоборот, если требуемая мощность машины превышает выходную мощность топливного элемента, дополнительно используется энергия, накопленная во вспомогательном источнике питания. После реакции выделяются только вода и тепловая энергия, поэтому такая конструкция позволяет полностью заменить дизельный двигатель и при этом реализовать нулевые выбросы (Zero-emission).

<Рисунок 4> Количество патентных заявок на водородные топливные сельскохозяйственные тракторы у основных отечественных и зарубежных компаний (по 5 странам IP и PCT, по публикациям и регистрациям до 1 июля 2026 года)

Японская Kubota вне конкуренции — захват будущего рынка через патенты
Проблема в том, кто первым обеспечит себе эту технологию крупного водородного топливного трактора. Наиболее впереди в этой гонке находится японская Kubota (KUBOTA), третья в мире компания по производству сельхозтехники. На выставке Osaka-Kansai Expo 2025 компания Kubota впервые в мире представила прототип автономного водородного топливного трактора мощностью 100 лошадиных сил. Этот трактор способен работать почти полдня непрерывно на одной заправке водородом, а сама заправка занимает всего около 10 минут, поэтому он оценивается как пример, на практике доказавший эффективность водородного топливного элемента для экологического перехода крупной сельхозтехники.

Еще более пристального внимания заслуживает патентная стратегия Kubota. По результатам сравнения состояния владения патентами, связанными с водородными топливными сельскохозяйственными тракторами, среди основных отечественных и зарубежных компаний в области сельскохозяйственных тракторов (KUBOTA, YANMAR, ISEKI, Deere & Company, CNH), Kubota владеет в общей сложности 171 патентом, что составляет около 82% от общего числа, и занимает подавляющее первое место. Между тем единственными, кто в этой области преследует Kubota, оказались исследовательские группы из Кореи. Эти результаты были получены исследовательской группой¹ проекта «Разработка крупного трактора класса 110kW на основе экологически чистого водородного топливного элемента», сформированной из представителей промышленности, университетов и исследовательских институтов (19 патентов, около 9%).

         <Рисунок 5> Количество патентных заявок по годам на водородные топливные сельскохозяйственные тракторы у основных отечественных и зарубежных компаний

Состояние отечественных технологий — вызов отечественного консорциума разработчиков и оставшиеся задачи
Как было рассмотрено выше, с 2022 года среднегодовой темп роста числа патентных заявок у отечественных исследовательских групп составляет 18,9%, что лишь примерно одна пятая от уровня Kubota (98,3%). Кроме того, из 19 патентов, опубликованных в Корее, только 7 заявок PCT (около 37%) были поданы для обеспечения прав на зарубежных рынках, поэтому и по способности реагировать на зарубежные рынки ситуация значительно уступает Kubota. Однако есть и обнадеживающий момент. Kubota сосредоточена на патентах, специализированных на конструкции с размещением водородного бака в верхней части кабины (на крыше) своей тракторной платформы, тогда как отечественный исследовательский консорциум делает ставку на конструкцию с установкой водородного модуля под сиденьем в кабине и над силовой передачей. Это можно оценить как точку технологической дифференциации, поскольку одновременно обеспечены и универсальность, позволяющая легко применять решение на любой из платформ трех отечественных производителей тракторов, и проектные технологии, учитывающие устойчивость машины. 

Выводы и предложения — чтобы не упустить золотое время
Подводя итог, водородный топливный элемент является более реалистичной альтернативой батарее для экологического перехода крупной сельхозтехники, и технологическая конкуренция уже началась. Пока Kubota, третья в мире компания по сельхозтехнике, ускоряет подачу патентных заявок, опираясь на подавляющую финансовую мощь, в Корее лишь исследовательская группа из промышленности, университетов и научных институтов хоть как-то формирует конкурентную конфигурацию. Однако нельзя гарантировать, что эта конфигурация сохранится и в дальнейшем.

Необходимо четко указать и на реальные препятствия, мешающие коммерциализации водородных топливных тракторов. Инфраструктура водородной заправки в Корее по-прежнему ориентирована главным образом на легковые автомобили, и к тому же строится вдоль городов и основных дорог, поэтому в сельских районах найти заправочную инфраструктуру трудно. Каким бы выдающимся ни был разработанный водородный топливный трактор, если фермер не сможет легко заправить водород рядом со своим хозяйством, коммерциализация неизбежно окажется затруднительной.

Во-первых, только за счет собственных инвестиций исследовательских учреждений и отдельных компаний трудно догнать темпы технологического развития ведущих зарубежных компаний, превосходящих по капиталу и масштабу рынка. Даже если начальные затраты на разработку высоки, при постоянных инвестициях можно в долгосрочной перспективе стабилизировать цену системы, повышая уровень локализации ключевых компонентов и масштабы производства. Подобно тому как электромобили и инфраструктура электрической зарядки преодолели первоначально высокую стоимость и ограниченную рыночную привлекательность и выросли в отдельную отрасль, водородная сельхозтехника также должна обеспечить экономичность и практичность за счет непрерывного технологического развития и инвестиций в рынок.

Во-вторых, для стабильного снабжения водородом сельских районов необходимо вместе с заправочной инфраструктурой создать экологичную энергетическую экосистему для сельского хозяйства, органично связывающую производство, транспортировку, хранение и заправку водорода. В частности, сельскохозяйственная техника, в отличие от обычных легковых автомобилей, длительное время эксплуатируется в сельской местности и на удаленных рабочих участках, где доступность заправочных станций низка, поэтому одних только существующих стационарных заправок недостаточно для эффективного удовлетворения реального спроса сельхозработ. Следовательно, необходимы разработка и практическая апробация различных способов снабжения, соответствующих региональным и рабочим условиям, таких как мобильные водородные заправочные станции, полевые установки по производству и заправке водорода, а также специализированные системы заправки для сельхозтехники. Отрасль водородной сельхозтехники не должна ограничиваться раздельной разработкой машин и заправочной инфраструктуры, а должна развиваться в устойчивую экологичную энергетическую экосистему для сельского хозяйства, связывая в единую промышленную систему весь процесс — от производства водорода до его поставки и использования на местах сельхозработ.

В-третьих, на рынке сельхозтехники на водородных топливных элементах важно не только первым разработать технологию, но и как можно шире обеспечить права на нее. Kubota, подавая множество патентов одновременно в нескольких странах через механизм приоритета и семейства патентов, готовится к будущему мировому рынку. В настоящее время отечественные исследователи также пока сохраняют технологический потенциал в конкуренции с ведущими зарубежными компаниями. Если не связать уже достигнутые исследовательские результаты с последующей разработкой и практической апробацией, патентованием и индустриализацией, то с трудом сформированная конкурентная конфигурация может быстро разрушиться. 

Ожидается, что водородный топливный трактор наряду с электрическим трактором станет одной из ключевых опор будущего рынка экологичной сельхозтехники. От того, какая страна получит лидерство в этой технологии, может зависеть расстановка сил в мировой индустрии сельхозтехники на ближайшие десятилетия. В следующей части мы более подробно рассмотрим технологии ключевых компонентов водородного топливного трактора и примеры практической апробации в Корее и за рубежом.