С подачи президента РБ Александра Лукашенко, в преддверие пуска первой Белорусской АЭС, перед нашими учеными, разработчиками и производственниками поставлена задача создания широкого спектра транспортных, специальных и сельскохозяйственных машин на электрической тяге. Вопрос в том справятся ли они с этой задачей. И дело тут не в степени их знаний и умений. Большие опасения внушает косность бюрократической системы управления как в госорганах, так и в науке.
Плюс электрификация всей страны
Как показывает история, элетротракторы — это не придумка сегодняшнего дня. В СССР первая попытка создать трактор на электрической тяге была предпринята еще в 1928 году профессорами Дидебулидзе и Амираджиби. На шасси колесного трактора вместо двигателя внутреннего сгорания (ДВС) ими был установлен электродвигатель переменного тока напряжением 220 в и мощностью 14,5 квт с подачей напряжения от сети к электродвигателю через гибкий кабель длинной 200-250 м., размещенный на вращающемся барабане. Из-за недостаточной технической проработки эта конструкция оказалась неработоспособной.
Первый электротрактор на гусеничном ходу был разработан инженером В. А. Пичаком на базе трактора ЧТЗ-60, выпускавшегося на Челябинском тракторном заводе с 1933 по 1937 год. Мощность электродвигателя, заменившего ДВС в 60 л.с., составляла 35 кВт⋅ч при напряжении 1000 в. Напряжение стационарной сети понижалось передвижной трансформаторной подстанцией с 6000 в на 1000 в. Питание подавалось по гибкому шланговому кабелю длинной 800 м. И эта конструкция оказалась неработоспособной, но ряд заложенных в ней технических решений послужил основой для последующих разработок.
Прорывной оказалась конструкция, созданная в 1937 году П. Н. Листовым, В. Г. Стеценко и др. также на базе ЧТЗ-60, у которого ДВС был заменен трехфазным электродвигателем мощностью 48 квт с рабочим напряжением 500 в. Электропитание подавалось по гибкому кабелю с резиновой изоляцией длинной 750 м размещенном на кабельном барабане.
Два опытных образца этой машины получившей индекс ВИМЭ-2 в том же 1937 году были направлены для опытной эксплуатации в Энгельскую машинотракторную станцию (МТС) Саратовской обл. В течение 8 лет они выработали в переводе на пахоту свыше 8000 га. Чем была доказана техническая возможность практического использования электротяговых машин типа «трактор» на полевых сельхозработах, пусть и с применением кабельного питания.
Следующая конструкция электротрактора, получившая обозначение ЭТ-5-ЭНИН-ВИЭСХ, стала детищем Энергетического института Академии наук СССР и Всесоюзного института электрификации сельского хозяйства. Базой послужило гусеничное шасси тракторов СТЗ-НАТИ с которого помимо двигателя были сняты радиатор и топливные баки.
На месте ДВС монтировался трехфазный электродвигатель переменного тока мощностью 38 квт и напряжением 1000 в. Вал ротора электродвигателя соединялся с ходовой частью трактора через фрикционную муфту, коробку передач и трансмиссионное устройство трактора.
Так как по сравнению с предшествующей разработкой рабочее напряжение было повышено до 1000 в, это позволило применить питающий кабель наименьшего сечения, допустимого по условиям механической прочности и соответствия тогдашним правилам и нормам. На барабане электротрактора помещалось до 800 м гибкого, четырехжильного кабеля с резиновой изоляцией соединяющего его со стационарным источником энергии. Электротрактор питался от высоковольтной линии через передвижную трансформаторную подстанцию на колесном ходу, которая понижала высокое напряжение до рабочего.
Чтобы обрабатывать поля в двух взаимно перпендикулярных направлениях, электротрактор комплектовался колесной кабелевозкой с дополнительным запасом кабеля. При наличии кабельной тележки ЭТ-5 от одного подключения к сети он мог обработать поле площадью свыше 200 га.
Как показал опыт эксплуатации, электротрактора этого типа выполнять все виды вспашки, боронование, лущение, дискование, культивацию, а также посев зерновых, технических культур и трав. В течение 6 лет (c 1949 по 1954 год) в МТС различных регионов СССР работало 30 электротракторов из состава опытной партии. За 6 сезонов ими было обработано свыше 100 тыс. га в переводе на мягкую пахоту.
ХТЗ-12 — электротрактор Харьковского тракторного завода имени Серго Орджоникидзе. Производство начато в 1952 году, однако в связи с тем, что в хозяйстве страны трактор себя не оправдал, было выпущено всего 32 единицы. Фото m-yap.ru
Передовые механизаторы за один сезон давали выработку на одну машину более 1100 га; средняя сменная производительность на пахоте составляла 6-7 га, максимальная — 9 га. На лущении пара средняя и наибольшая производительность за смену достигала 20 и 38 га соответственно; на посеве — 20 и 30 га. Средний удельный расход электроэнергии на гектар условной пахоты составлял порядка 45 кВт⋅ч; на посеве 1 га зерновых — 12-15 кВт⋅ч и на культивации пара — 15-16 кВт⋅ч. Коэффициент использования рабочего времени на пахоте колебался от 0,62 до 0,79.
По мнению экспертов, основными преимуществами электротракторов по сравнению с тракторами, оснащенными ДВС, следующие: хорошие тяговые свойства и надежность работы электродвигателя; простота технического обслуживания и легкость пуска, экономия времени и рабочей силы из-за отсутствия необходимости в подвозе и заправке горючего.
Основные недостатки по сравнению с тракторами оснащенными ДВС: низкая маневренная способность из-за питающего кабеля; его недостаточная долговечность и более высокая стоимость по отношению к стоимости всего электротрактора, потребность в транспортном средстве с ДВС для перевозки электротрактора с участка на участок вне полевых электрических сетей; повышенный на 1-2 т вес по сравнению с традиционным трактором, следствием стало повышенное удельное давление на почву со всеми вытекающими последствиями.
И тем не менее, несмотря на упомянутые выше недостатки, из-за отсутствия дешевой нефти в предвоенные и первые послевоенные годы, было принято решение ускоренными темпами электрифицировать колхозы для внедрения электротракторов. На поля стали подводится электросети, чтобы запитывать новые машины.
Даже на небольших реках стали строится многочисленные ГЭС. Так только в одной Рязанской области в короткие сроки соорудили Кузьминскую ГЭС, Рассыпухинскую ГЭС, Данковскую ГЭС, Ново-Никольскую ГЭС. Однако с открытием крупных месторождений нефти в Казахстане работы в области разработки и внедрения электротракторов были свернуты.
Запад уже стартовал
Но научно-технический прогресс с той поры продвинулся далеко. К настоящему времени удалось создать накопители электроэнергии (аккумуляторы и суперконденсаторы), позволяющие создавать экономически эффективные трактора на электрической тяге. Которые, пусть и эпизодически, начали применяться в фермерских хозяйствах в США и других стран. Использование для их зарядки ветрогенераторов и солнечных батарей сделало в ряде случаев применение электрических тракторов и других электрифицированных сельскохозяйственных машин достаточно рентабельным.
И тренд этот был замечен ведущими мировыми производителями тракторов и сельхозмашин. В конце прошлого года в Германии выпустили первый серийный электрический компактный трактор Fendt e100 Vario с мощностью привода 50 кВт, который можно использовать в реальных условиях эксплуатации в течение почти полного рабочего дня (до пяти часов) без подзарядки.
Трактор Fendt e100 Vario. Фото fendt.com
Источником энергии является высокопроизводительная батарея литий-ионного типа на 650 в емкостью около 100 кВт⋅ч. До 22 кВт она заряжается как через стандартную трехфазную розетку с напряжением 400 в, так и через зарядное устройство Supercharging Option с постоянным напряжением. А с помощью стандартного автомобильного зарядного штекера CCS типа 2 батарею можно заряжать до 80% за 40 минут. Кроме того, энергия рекуперируется электродвигателем во время работы.
Fendt e100 Vario обеспечивает возможность использования как обычного, так и электрифицированного навесного оборудования. Эффективность работающего на аккумуляторной батарее трактора повышается благодаря совершенно новому, энергоэффективному управлению тепловой энергией. Электрический тепловой насос с регулятором осуществляет кондиционирование кабины, а также аккумулятора и электроники.
Вся система энергоуправления, включая информацию о состоянии батареи трактора, контролируется с помощью смартфона. Кроме того, при подключении трактора к сети можно управлять такими комфорт-функциями как предварительный нагрев кабины зимой или кондиционирование воздуха летом.
В компании заявили, что первая ограниченная серия машин появится на рынке Германии в первой половине 2018 года, после чего они поступят в продажу и в других странах мира.
Если же говорить об энерговооруженных тракторах, то здесь следует упомянуть о прототипе трактора на электротяге SESAM (Sustainable Energy Supply for Agricultural Machinery), представленного крупнейшим в мире производителем сельхозтехники компанией John Deere еще в конце 2016 года.
Фото realagriculture.com
Вместо обычного дизельного двигателя на нем установлены два электродвигателя по 150 кВт (общая мощность SESAM — 402 л.с.) и аккумуляторные блоки на 130 кВт⋅ч. Для сравнения самые мощные батареи Tesla выдают 100 кВт⋅ч.
Полный заряд батареи обеспечивает работу на протяжении около 4-х часов в нормальных условиях эксплуатации или запас хода около 55 км. Время зарядки источников питания — приблизительно 3 часа. Продолжительность жизни батареи составляет около 3100 циклов.
В отличие от своих дизельных собратьев трактор практически не издает шума. Модель на электротяге также проще ремонтировать, ведь в ней меньше деталей, узлов и агрегатов.
Преимущества электротрактора SESAM основываются и на возможности его встраивания в производственный цикл фермы, использующей возобновляемые источники энергии (ветряки и солнечные батарей).
Компания Deere пока не планирует запускать в серийное производство полную линейку электротракторов, но собирается заняться дальнейшей разработкой и тестированием сельхозтехники на электротяге — для этого в John Deere создано специальное подразделение.
Хотя и электро-, но на базе «Белоруса»
Однако эти примеры как говорится из «дальнего зарубежья», а что же на просторах бывшего СССР.
Некоторое время назад компания MOBEL из Москвы (чьей специализацией является разработка и внедрении в производство электрических средств общественного, личного и коммерческого транспорта, а также некоторых видов сельхозтехники) провела в ряде России презентацию экспериментального электротрактора, сконструированного (обратите внимание!) на основе популярной у сельчан модели «Беларус-920» с колесной формулой 4×4.
Источником энергии для этих образцов являлись литий-ионные батареи емкостью 56 кВт⋅ч производства китайской компании Thunder Sky Batteries (Их выпуск планировалось наладить в Новосибирске на предприятии ООО «ЛИОТЕХ»).
Ток от блока батарей питал итальянский электродвигатель мощностью 60 кВт (81 л.с.), с коэффициентом запаса крутящего момента 15% и максимальной величиной крутящего момента 250 Нм при 2200 об/мин. Рабочее напряжение двигателя составляло 300 в. В конструкции трактора была сохранена синхронизированная коробка передач. Длительность работы трактора после зарядки батарей составляло — 4 часа, время быстрой зарядки — 30 минут.
На крыше кабины устанавливались солнечные батареи, обеспечивающие автономное питание дополнительного оборудования (светодиодные осветительные приборы, кондиционер и т. п.). Срок службы батарей был определен в 1500 циклов.
Расчеты показали, что электротрактор обеспечит пяти-семикратную экономию стоимости энергоресурсов и техобслуживания. В итоге стоимость владения электротрактором не должна была вырасти по сравнению со стоимостью владения дизельным трактором. Кстати, трактор на электротяге намечалось также использовать в сфере ЖКХ, в аэропортах, в качестве внутризаводского тягача и т. д.
Планировалось, что серийный выпуск таких универсальных тракторов будет организован в г. Пермь в цехах ЗАО «Электротехническая компания». Поставщиками комплектующих должны были выступить Минский тракторный завод, ООО «ЛИОТЕХ» и одна калифорнийская фирма, которая на первых порах должна была поставлять электродвигатели. В дальнейшем выпуск электродвигателей предполагалось наладить в России на предприятии компании «ТВЭЛ» корпорации «Росатом».
Однако как это часто бывает в сфере инноваций, что-то не срослось и о реализации означенного проекта ничего не слышно.
Когда электротракторы «до лампочки»
В прошлом году мода на электротрактора наконец дошла и Беларуси. Представляя 27 августа 2017 года широкой публике белорусский электромобиль, сделанный на базе седана Geely, генеральный директор Научно-практического центра по механизации сельского хозяйства Национальной академии наук Беларуси Сергей Яковчик заявил: «В ближайшей перспективе, я считаю, у нас будет создан первый белорусский электротрактор. Все-таки мы движемся к роботизации техники, очень большое внимание в наших исследованиях и разработках уделяется точному земледелию, то есть умной технике».
По его словам, в перспективе машины смогут работать без механизатора. С этой задачей поможет справиться система автоматического вождения или GPS-навигация.
И надо же было случится такому счастливому совпадению: оказалось, что в нашей стране уже разработана концепция использования технологических комплексов машин на электрической тяге. Ее авторами являются два бывших инженера-конструктора МТЗ — Борис Адамович и Петр Горобец.
Суть их предложений состоит в том, что в различных отраслях народного хозяйства необходимо создавать технологические комплексы исполнительных машин и механизмов (не только тракторов, но и комбайнов, лесозаготовительной техники, дорожно-строительной техники и т.п.) с прямым электроприводом и питанием тяговых электродвигателей от накопительных источников энергии (электрохимических батарей и/или суперконденсаторов), работающих в связке с так называемыми «шасси-заправщиками». Построенными на базе самоходных шасси и несущими на себе дизель-генератор, накопители для выработанной электроэнергии, а также необходимую аппаратуру.
Для большей экономичности передвижная заправочная станция может работать на газовом и даже на местных видах топлива. Как вариант — создание мобильных заправщиков без дизель-генераторов, полностью на суперконденсаторах. Энергию в них будут подавать заправщики-челноки, которые будут принимать ее на стационарных зарядных станциях размещенных на ближайших АЗС, складах, фермах, мехдворах и т. д. Такую схему предпочтительно использовать в крупных хозяйствах. Особенно актуальной она станет после запуска Белорусской АЭС.
Основная задача шасси-заправщика (являющегося как бы ядром такого технологического комплекса) — обеспечение выработки и накопления электроэнергии непосредственно на местах производства работ (поле, дорога, стройплощадка, карьер, лесной массив и т.д.), оперативная (в течение 5-7 минут) зарядка этой электроэнергией бортовых накопителей исполнительных машин и механизмов. На непредвиденный случай на них можно будет устанавливать и обычную электрохимическая батарея — по емкости примерно такую же, как и суперконденсатор. Что позволит в экстремальной ситуации не допустить обездвиживания машин.
Наличие на месте производства работ, например, на обочине поля шасси-заправщика, позволит в дальнейшем решить и другую генеральную задачу — освободить человека от непосредственного управления трактором, комбайном и другими исполнительными машинами и механизмами. Управление техникой входящей в технологический комплекс, будет дистанционно осуществлять оператор шасси-заправщика c использованием спутниковых систем навигации. Таким образом электротрактор превращается еще и в трактор-дрон.
Но против ожиданий инициаторов, идеей, сулящей нашей стране научно-технический прорыв и вхождение в число ведущих инновационных государств мира, во властной вертикали и в руководстве НАН никто не заинтересовался. Более того, с декабря 2016 года, когда они отправили свою концепцию в Министерство промышленности, для них начались хождения по мукам.
С инженеров-пенсионеров потребовали подготовки неких справочно-аналитических материалов и технико-экономических обоснований. Это притом, что в стране существуют целые отраслевые и академические институты специализирующиеся на выполнении такого рода работ. И которые должны были бы двумя руками ухватится за свежую идею. Однако официальная наука ее проигнорировала
Как это ни удивительно, полное равнодушие к концепции технологического комплекса электротракторов проявил и, до сих пор родной для Адамовича и Горобца, Минский тракторный завод. Видя дефицит инновационных проектных решений, который сейчас испытывает МТЗ, они хотели помочь прежде всего ему. Но тщетно: вертикальщики, академики и директорат вместе стоят стеной.
«Настоящая итальянская забастовка» — вздыхают старики — «одна надежда на президента, но как к нему прорваться через частокол помощников и референтов». А ведь сейчас самое главное не упустить время: конкуренты не спят.