拖拉機(jī)車輪變儲(chǔ)氫罐，德國探索新型氫動(dòng)力農(nóng)用機(jī)械

IT之家 4 月 5 日消息，德國一種應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的全新儲(chǔ)氫方案正備受關(guān)注：工程師們不再將高壓儲(chǔ)氫罐安裝在車頂或駕駛室下方，而是探索能否將儲(chǔ)氫結(jié)構(gòu)直接集成在拖拉機(jī)車輪中。據(jù)《Fuel Cells Works》報(bào)道，這一設(shè)計(jì)理念旨在延長(zhǎng)設(shè)備作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)為農(nóng)業(yè)與工程施工領(lǐng)域的機(jī)械車身騰出空間，用作其他用途。

該思路解決了氫動(dòng)力農(nóng)用設(shè)備面臨的一大核心工程難題。拖拉機(jī)的可用空間固定，安裝在車頂或駕駛室旁的儲(chǔ)氫罐，其每千克儲(chǔ)氫量都會(huì)直接與設(shè)備的結(jié)構(gòu)、平衡性能及功能使用產(chǎn)生沖突。將儲(chǔ)氫裝置轉(zhuǎn)移至車輪組件，可使重量更靠近車軸，同時(shí)為車輛其他部位釋放空間。

作為德國下薩克森州公立資助項(xiàng)目 H2Agrar 的研發(fā)成果，芬特太陽神原型機(jī)目前在車頂搭載了五個(gè)壓縮氫氣罐。每個(gè)儲(chǔ)氫罐可容納 4.2 千克氫氣，壓縮壓力最高達(dá) 700 巴。單次加注后，這些氫氣可滿足拖拉機(jī)約 5 至 8 小時(shí)的田間作業(yè)，具體時(shí)長(zhǎng)取決于作業(yè)類型。

該機(jī)型搭載 100 千瓦燃料電池，將氫氣轉(zhuǎn)化為電能，并配備 25 千瓦時(shí)緩沖電池。整套系統(tǒng)為 100 千瓦電動(dòng)牽引電機(jī)與拖拉機(jī)輔助系統(tǒng)提供動(dòng)力。愛科公司全球研發(fā)與先進(jìn)工程總監(jiān)本諾 · 皮希邁爾博士表示，這款拖拉機(jī)的性能與同等功率的柴油機(jī)型相當(dāng)。他稱：“芬特太陽神能夠完成同等功率柴油拖拉機(jī)在農(nóng)場(chǎng)里的所有作業(yè)。”

但車頂五個(gè)總計(jì)儲(chǔ)氫 21 千克的罐體，只是續(xù)航能力的上限，并非最優(yōu)解決方案。而車輪儲(chǔ)氫的構(gòu)想正是為突破這一限制提出的。

即便在 700 巴高壓下，氫氣的體積能量密度也遠(yuǎn)低于柴油。這使得設(shè)備的物理空間成為續(xù)航限制因素，而這一問題在傳統(tǒng)燃油設(shè)備中并不存在。H2Agrar 項(xiàng)目合作方、布倫瑞克工業(yè)大學(xué)移動(dòng)機(jī)械與商用車輛研究所的路德格爾 · 弗雷里希斯教授直言：“相較于柴油，氫氣儲(chǔ)能容量更低，如何讓拖拉機(jī)及其作業(yè)模式適配這一特點(diǎn)是一大挑戰(zhàn)。”其團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目中持續(xù)評(píng)估各類儲(chǔ)氫罐方案、拖拉機(jī)設(shè)計(jì)與尺寸規(guī)格。

同樣參與該項(xiàng)目的哈倫市勒奇林工程塑料公司，已將碳纖維增強(qiáng)高壓氫氣容器定為戰(zhàn)略發(fā)展領(lǐng)域。該公司在埃姆斯蘭示范區(qū)內(nèi)，同時(shí)研發(fā)車載儲(chǔ)氫設(shè)備與氫氣物流運(yùn)輸容器。

將儲(chǔ)氫罐集成于車輪組件，可利用目前僅承擔(dān)機(jī)械與結(jié)構(gòu)功能的空間。大型農(nóng)用拖拉機(jī)車輪結(jié)構(gòu)龐大，若經(jīng)過合理工程設(shè)計(jì)，其內(nèi)部空間有望在不影響車輪承重功能的前提下容納壓力容器。但這一方案需攻克復(fù)雜的工程難題：旋轉(zhuǎn)車輪內(nèi)的儲(chǔ)氫系統(tǒng)必須解決氫氣傳輸、持續(xù)機(jī)械應(yīng)力下的壓力密封性，以及安全加注通道等問題。

H2Agrar 項(xiàng)目于 2021 年 2 月啟動(dòng)，獲得下薩克森州約 760 萬歐元（IT之家注：現(xiàn)匯率約合 6038.7 萬元人民幣）資金支持，是德國首個(gè)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域氫能源全流程示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目在單一區(qū)域體系內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了氫氣生產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與農(nóng)用作業(yè)機(jī)械的聯(lián)動(dòng)。

項(xiàng)目所用氫氣來自哈倫附近一座擁有 16 臺(tái)風(fēng)機(jī)的社區(qū)風(fēng)電場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái) 1 兆瓦電解槽每日可生產(chǎn)至多 900 千克氫氣。氫氣接入當(dāng)?shù)厝細(xì)夤芫W(wǎng)，同時(shí)輸送至專屬加氫站，芬特太陽神拖拉機(jī)可在此以最高 700 巴的壓力加注氫氣。該加氫站由施韋爾姆設(shè)備技術(shù)公司供應(yīng)，總儲(chǔ)氫量可達(dá) 480 千克，可同時(shí)提供 350 巴與 700 巴兩種加注壓力。

2024 年 6 月德國氫能周期間，該項(xiàng)目正式亮相，吸引了約 160 名來自工業(yè)、政界與科研領(lǐng)域的人士參與，其中包括下薩克森州經(jīng)濟(jì)部長(zhǎng)奧拉夫 · 利斯。在項(xiàng)目三年正式周期結(jié)束后，兩臺(tái)芬特太陽神拖拉機(jī)仍在農(nóng)場(chǎng)持續(xù)作業(yè)。

2024 年，芬特太陽神首次參與收割作業(yè)，為研發(fā)團(tuán)隊(duì)提供了高負(fù)荷田間作業(yè)的真實(shí)能耗數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為下一階段研發(fā)提供依據(jù)，其中就包括對(duì)替代儲(chǔ)氫結(jié)構(gòu)的評(píng)估。

本周報(bào)道的車輪集成儲(chǔ)氫方案，是科研人員與工程師為突破車頂儲(chǔ)氫續(xù)航限制、提升氫動(dòng)力拖拉機(jī)實(shí)際續(xù)航能力的探索方向之一。目前公開信息尚未證實(shí)該方案會(huì)進(jìn)入原型機(jī)研發(fā)階段，還是僅停留在設(shè)計(jì)研究層面。

據(jù) H2Agrar 項(xiàng)目文件引用的德國聯(lián)邦數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)機(jī)械碳排放約占德國農(nóng)業(yè)總排放量的 8.5%。在芬特清潔能源戰(zhàn)略框架下，該款拖拉機(jī)仍在埃姆斯蘭地區(qū)的農(nóng)場(chǎng)作業(yè)，持續(xù)收集相關(guān)數(shù)據(jù)。