L'avenir de l'agriculture est-il alimenté par batterie ?

Un concept qui semblait inconcevable il y a quelques années est devenu réalité lorsque Milwaukee Tool a introduit une scie à chaîne qui surpassait une scie motorisée.

Croyez-moi sur parole. J'ai couru le Milwaukee contre une marque populaire de tronçonneuse motorisée, utilisant des lames de 16 pouces et coupant les cendres. Le Milwaukee n'a jamais calé, ou s'en est approché, alors que la scie motorisée sifflait. Si ce n'est pas assez impressionnant, Milwaukee vient également de présenter une clé à chocs et une meuleuse d'angle qui retirent toutes les versions d'outils filaires ou pneumatiques, sauf de taille industrielle, sur des étagères de rangement poussiéreuses. Plusieurs fabricants travaillent à renforcer les capacités de leurs soudeuses actuelles alimentées par batterie pour fusionner de l'acier d'un demi-pouce d'épaisseur et fonctionner jusqu'à une heure entre les recharges.

Les progrès des outils sans fil ne sont que la pointe d'un iceberg Titanic dans les progrès des batteries. La technologie promet de faire des tracteurs et camions électriques une réalité dans un avenir proche. D'ici 2020, vous pourrez recharger votre pick-up le temps de boire un café, et ensuite vous conduirez 300 miles avant de devoir faire le plein.

Les batteries lithium-ion (Li-ion) d'aujourd'hui contiennent plus de deux fois plus d'énergie en poids et sont 10 fois moins chères que les premières batteries lithium-ion introduites en 1991. Les entreprises font des investissements de premier plan dans la fabrication de batteries, comme la Gigafactory de batteries de 3,3 milliards de dollars de Tesla au Nevada.

Cela a ouvert la voie à une croissance explosive de la capacité rechargeable, promet de quadrupler la capacité de la batterie au cours des 10 prochaines années. Vous pouvez remercier la chimie pour un avenir où les cordons et la combustion seront retirés. Toutes les batteries créent du courant en libérant des électrons par une réaction chimique qui stocke ou libère un courant. Ils tirent leur nom des éléments utilisés dans cette réaction, tels que la batterie nickel-cadmium ou NiCd qui jonchent désormais les étagères des magasins après avoir été écartée par les unités Li-ion plus efficaces.

Le lithium est devenu le produit chimique de prédilection dans le monde des batteries d'aujourd'hui car il se recharge plus rapidement, tient la charge plus longtemps, et a une durée de vie plus longue. Une innovation qui promet la prochaine grande avancée pour les batteries Li-ion sont les nanofils d'or servant d'électrode. Ces fils sont 1, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain et résiste à des centaines de milliers de charges sans se dégrader.

Au-delà du Li-ion au Li-air

L'avenir des batteries peut être vu dans une invention de l'Université de l'Illinois et du Laboratoire national d'Argonne à Chicago. Une équipe de chercheurs a créé une batterie qui utilise l'oxygène de l'air pour réagir avec le lithium dans la batterie
électrode anodique. D'autres chercheurs « ont essayé de construire des piles lithium-air, mais ils ont échoué en raison d'une mauvaise durée de vie, », déclare Larry Curtiss de cette équipe de recherche.

L'équipe de recherche UIC-Argonne a relevé ces défis en utilisant une combinaison unique d'anode, cathode, et un électrolyte qui empêche l'oxydation et l'accumulation de sous-produits qui tuent la batterie. De telles avancées prédisent le développement de batteries qui dureraient non seulement la durée de vie de l'appareil (qu'il s'agisse d'un outil ou d'une camionnette), mais également de cellules d'alimentation qui ne représentent qu'une fraction de la taille des batteries Li-ion d'aujourd'hui, qui se rechargent beaucoup plus rapidement et produisent jusqu'à 15 fois plus de puissance.

Les scientifiques de Toyota testent une autre approche Li-ion impliquant des batteries à l'état solide utilisant des conducteurs superioniques au sulfure qui peuvent se recharger en seulement sept minutes. Cette approche fonctionnerait à des températures aussi basses que -22 °F. et jusqu'à 212°F.

Les recherches sur l'utilisation de différents produits chimiques pour stocker l'énergie prévoient le remplacement du lithium par des éléments tels que le sodium, silicone, aluminium, et magnésium. Par exemple, une société espagnole appelée Graphenano explore les batteries au graphène qui pourraient offrir aux véhicules une autonomie allant jusqu'à 500 miles sur une seule charge et un temps de recharge de quelques minutes seulement. Cette batterie au graphène (faite de graphite) se décharge également 33 fois plus vite que les batteries Li-ion actuelles, qui répondrait mieux aux besoins de puissance élevée des tracteurs énergivores, combine, et camions.

Composants de la batterie

LA BATTERIE

Comme toute autre batterie, une batterie rechargeable au lithium-ion (Li-ion) est constituée d'un ou plusieurs compartiments générant de l'énergie appelés cellules ou assemblages de cellules. La technologie Li-ion utilise une structure moléculaire spéciale qui permet au courant de circuler en trois dimensions plutôt qu'à travers les couches bidimensionnelles d'une cellule. Les résultats sont des augmentations importantes de la puissance et de la durée d'exécution et la capacité d'exécuter des outils gourmands en énergie. Milwaukee Tool a également utilisé une nouvelle génération de batteries individuelles plus grandes appelées cellules 20700 pour augmenter la capacité de stockage d'énergie jusqu'à 12 ampères-heures, le meilleur du secteur. Milwaukee a déjà annoncé son intention de passer à une unité encore plus grande, étiqueté le 21700, qui emballe jusqu'à 47% plus de capacité énergétique.

Les assemblages de cellules sont rassemblés en série et reçoivent de l'énergie (lors de la recharge) ou déchargent de l'énergie via un harnais en métal solide innovant qui réduit la résistance à l'écoulement, fournissant ainsi plus de puissance (jusqu'à 50 % de flux électrique en plus que les modèles de batterie précédents) à l'outil tout en minimisant la génération de chaleur (jusqu'à 70 %). Ce faisceau est également beaucoup moins susceptible de se briser si la batterie tombe (par rapport aux faisceaux de câbles).

COMMANDES ÉLECTRONIQUES

Le cerveau des outils alimentés au lithium-ion est constitué de commandes électroniques qui résident à la fois sur la batterie et sur le moteur. Les deux microprocesseurs communiquent entre eux pour réguler le flux d'énergie de la batterie à l'outil. La commande électronique du moteur sans balais demande un flux de puissance accru lorsque l'outil est sous charge et génère plus de couple. Le contrôleur de la batterie régule non seulement la quantité d'énergie qu'il délivre au moteur, mais également la vitesse à laquelle la batterie se recharge.

MOTEURS SANS BALAIS

La clé pour générer la croissance phénoménale du travail généré par les outils sans fil est l'utilisation de moteurs sans balais qui éliminent les balais de charbon et le collecteur utilisé dans les moteurs à balais. Dans ces moteurs, les emplacements des aimants et des enroulements en cuivre sont inversés. Dans un moteur sans balais, les aimants sont sur l'arbre moteur, et les enroulements de cuivre de l'armature sont fixes et entourent cet arbre. L'augmentation de puissance des moteurs brushless est possible car les bobinages en cuivre sont positionnés à l'extérieur de la configuration du moteur, ce qui offre de la place pour les agrandir. Aussi, les moteurs sans balais n'ont pas le frottement et la chute de tension que les balais créent en traînant contre le collecteur en rotation.

Évaluer le vrai potentiel de puissance de la batterie

L'évaluation du potentiel de puissance d'une batterie a été brouillée ces dernières années, car les tensions nominales ont grimpé en flèche au-delà des valeurs nominales courantes de 18 ou 20 volts. Mais les batteries à plus haute tension sont-elles forcément plus puissantes ?

Pour répondre à cette question, vous devez également regarder les ampères-heures d'une batterie. "Les ampères-heures sont un peu comme évaluer le réservoir de carburant d'une batterie, " explique Bob Hunter, évaluateur d'outils pour Bois magazine, Agriculture réussie publication sœur du magazine.

Une tension plus élevée ne signifie pas toujours une plus grande puissance. La tension varie légèrement au sein des cellules individuelles d'une batterie en fonction de la quantité de charge qu'elles contiennent. Ils peuvent produire une tension plus élevée à un état de pleine charge qu'à faible.

De même, des ampères-heures plus élevés ne garantissent pas que vous obtenez le meilleur temps d'exécution.

Lorsqu'il s'agit d'évaluer le potentiel de puissance d'une batterie, calculer ses wattheures.

L'équation pour le faire est simple. Multipliez les volts nominaux par les ampères-heures. Le résultat est des wattheures.

Un exemple de ceci serait une batterie de 18 volts qui fournit 12 ampères-heures d'énergie. Les wattheures de cette batterie seraient de 216 (18×12).

Un autre guide très fiable de la puissance de la batterie est le travail fourni par l'outil qu'il fournit, mesuré en couple ou en couple maximal. La véritable capacité de couple est le reflet à la fois de la capacité de la batterie ainsi que de la qualité du moteur de l'outil et des commandes électroniques qui régulent ce moteur et les fonctions de sa batterie.

Camions électriques en développement

Workhorse construit 5, 300 des camions cette année pour les ventes de flotte. Les commandes des consommateurs débuteront au début de 2019 pour un camion qui commence à 52 $ 000 (soutenu par un $7, 500 crédits d'impôt).

Le pionnier de la voiture électrique Elon Musk rapporte que son entreprise est sur le point d'introduire un pick-up Tesla qui aura une transmission intégrale à double moteur "avec un couple fou et une suspension qui s'ajuste dynamiquement à la charge, », se vante Musk, pionnier de la voiture électrique.

Un semi-remorque tout électrique n'est pas loin du marché, Soit. Thor Trucks a développé un semi-électrique pouvant transporter 80, 000 livres de fret et parcourez jusqu'à 300 milles avec une seule charge (illustré ci-dessus). Les options de groupe motopropulseur pour le camion vont de 300 à 700 ch. avec un couple maximal à partir de 0 tr/min. La société affirme que le Thor est 70 % moins cher que les semi-remorques diesel. Une flotte limitée de camions de démonstration est maintenant disponible auprès de l'entreprise.

Des refontes radicales de la batterie

BATTERIE AUX IONS LITHIUM

Une batterie lithium-ion (Li-ion) comprend des électrodes d'anode et de cathode et un électrolyte maintenu dans une paroi de séparation isolante composée de trous microscopiques. A l'état chargé, des atomes de lithium sont stockés dans l'électrode d'anode. Lorsque la batterie fait partie d'un circuit fermé (ou terminé), il commence à se décharger. Cela provoque une réaction d'oxydation entre les atomes de lithium (dans l'électrode d'anode) et la solution d'électrolyte, résultant en des électrons qui sautent du navire des atomes de lithium pour créer des ions lithium. La solution d'électrolyte ne laisse passer que les ions jusqu'à l'électrode cathodique où une réaction de réduction crée de l'énergie. La charge de la batterie inverse ce processus.

BATTERIE LITHIUM SOUFRE

Une batterie créée à partir de lithium et de soufre (Li-S) a le potentiel de transporter cinq fois plus d'énergie en poids qu'une batterie Li-ion. Dans une batterie Li-S, l'électrode en oxyde métallique est remplacée par du soufre, qui a la capacité de contenir plus d'atomes de lithium puisque chaque atome de soufre se lie à deux atomes de lithium. L'électrode en graphite est remplacée par un ruban de lithium métal pur qui sert à la fois d'électrode et de fournisseur d'ions lithium.

BATTERIE LITHIUM-OXYGÈNE

Cette approche aspire l'air dans la batterie où l'oxygène agit comme un électrolyte. De telles batteries respiratoires offrent un énorme avantage en termes de poids par rapport aux autres approches de batterie, car elles n'ont pas besoin de transporter l'un de leurs principaux ingrédients. Une batterie lithium-oxygène (Li-O) peut, en théorie, stocker l'énergie aussi densément qu'un moteur à gaz, ce qui est 10 fois plus que les batteries utilisées dans les voitures d'aujourd'hui. Le défi avec les batteries Li-O est qu'elles perdent rapidement leur capacité de charge à chaque cycle de recharge. Des chercheurs explorent des batteries respiratoires moins chères à base de sodium-oxygène

(Na-0). La batterie Na-O ne fournit que la moitié de la densité énergétique du Li-O mais reste cinq fois plus puissante que les batteries Li-ion.

BATTERIE MAGNÉSIUM-ION

Refonte des électrodes dans les batteries et remplacement du lithium par des ions plus lourds, tels que ceux offerts par le magnésium, a un potentiel puisque les ions magnésium portent chacun deux charges électriques contre une seule charge portée par les ions lithium. Mais le temps de recharge et de réponse de libération est plus lent avec les batteries Mg-ion car les ions magnésium se déplacent beaucoup plus lentement que les ions lithium.

Tracteur électrique maintenant une réalité

Le rêve de tracteurs à batterie est devenu réalité cet été lorsqu'un nombre limité de modèles Fendt e100 Vario sont allés travailler dans des fermes et des municipalités en Europe. Capable de fonctionner jusqu'à cinq heures sur une charge, le 67-hp. Vario utilise une batterie lithium-ion de 650 volts. Plus, la batterie peut être rechargée jusqu'à 80 % en seulement 40 minutes.

Fendt rapporte que le e100 a été conçu pour alimenter à la fois des outils conventionnels (via une prise de force ou hydraulique) ainsi que des outils électrifiés. On s'attend à ce que le e100 Varios ne soit probablement pas disponible avant 2019.

AGCO (société mère de Fendt) n'est pas la seule entreprise à se pencher sérieusement sur les tracteurs électriques. John Deere a dévoilé un prototype tout électrique en 2017 lors d'un salon des machines à Paris qui a produit une énorme puissance de 174 ch.

Appelé SESAM (Approvisionnement en Énergie Durable pour les Machines Agricoles), le prototype Deere est basé sur le châssis de la série 6R de l'entreprise équipé de deux moteurs électriques. Le bloc-batterie du SESAM offre suffisamment d'énergie pour alimenter le tracteur jusqu'à quatre heures. Deere estime que le tracteur est à au moins trois à quatre ans de la production commerciale.

Le constructeur allemand de moteurs tout-terrain Deutz est également à la recherche de puissance électrique. Cette entreprise a récemment dépensé 117 millions de dollars pour mettre en œuvre la stratégie E-Deutz. Les premiers produits de cet investissement sont attendus dans environ deux ans.