L'EFFICIENZA ENERGETICA DEI TRATTORI DA VIGNETO E FRUTTETOENERGY EFFICIENCY OF NARROW TRACTORS

The agricultural tractor is a complex machine, designed to provide power to a broad number of different types of equipment, be it mechanical power, hydraulic power, and in recent times even pneumatic and electric power. All this power is harnessed through an endothermic engine (typically diesel cycle), that harnesses the chemical energy of the fuel transforming it into mechanical energy. The constant increase in fuel prices, together with a higher awareness of environmental issues, have significantly increased farmers’ concern over their consumptions. In the last few years, this has led many national and international organisations to come up with methods to calculate an energy efficiency index for tractors, in line with what has already been done for cars or different types of household appliances. In particular, the energy efficiency of a system can be defined as its ability to harness the supplied energy to meet its needs. The less the system consumes in order to meet its needs, the higher will be its energy efficiency. Within the farm mechanisation industry, several countries (Spain, Korea, Turkey) have introduced programmes in an attempt to define this index, based on currently available data such as the OECD Code 2 tests or performance testing on endothermic engines. The DLG (German Agricultural Society) has implemented a different system, based instead on field tests that replicate real work cycles typical of central- European farming. However both the OECD codes and these new testing protocols were mainly designed and tested on standard tractors, whereas specialised tractors, the ones used in vineyards, fruit orchards, greenhouses and vegetation maintenance, have been neglected up until now. The purpose of this project is to devise a methodology in order to be able to calculate an Energy Efficiency Index also for vineyard tractors. The first part of the project consisted in analysing the work of tractors in viticulture, in order to pick out the most impactful, and therefore most relevant work cycles. This was followed by an only partial (for several reasons) analysis of these real-life field cycles, by studying the power transmitted from the tractor to the implements/equipment and (where possible) assessing consumption as well. This data was then used to devise theoretical cycles, easily reproducible in the lab thanks to dedicated testing areas (especially for the engine brake). But due to a lack of cooperation from the manufacturers, it was not possible to test these cycles in the lab. A different strategy was then decided on: using engine testing data from sources that were already freely available, such as data from the OECD Code 2 tests. Between 2011 and 2015, only 11 out of 278 test reports issued involved vineyard and orchard tractors. When analysing these reports, the power detected in field tests was compared to the power detected in Code 2 tests, and the compatibility of the test setting was also assessed (especially the position of the throttle). The various cycles were then compared against 4 different test conditions of the OECD Code 2. The specific consumption data (expressed in g/kWh) was then assessed against a given time allocated to the task, expressed as a percentage of the overall work time, as the farmer doesn’t use the tractor for a single task but for multiple tasks. The farmer can also change the percentages of tractor usage for each task; thereby recalculating the overall energy efficiency index according to the farm’s actual operational performance. However, as often happens, one single figure, especially if not immediately checked against other numbers, does not mean much to the end user. Therefore it is essential, as it has proved to be in many other cases, to provide a definition of the different energy brackets in order to facilitate the comparison of results by using the spreadsheet shown above. It has been decided to introduce 7 energy brackets running from A to G, each one separated by an interval of 30g/kWh. This is a purely arbitrary distinction, which is obviously subject to future amendments also due to the small numbers of tractors analysed so far. In conclusion, the main goal of the project outlined in this paper is to provide the user of specialised tractors with different energy efficiency indexes (and therefore also, indirectly, with an idea of the possible operating costs) of tractors under diverse operating conditions within the vine and fruit culture industry. Any future research on this project should take into account all the aspects that have been touched on. It will be necessary in fact to implement a real-life analysis of the different activities, with accurate measurements of the power used by each piece of equipment (even if they are of the same type but with different operating systems), devising in this way theoretical cycles that are as reliable as possible. In addition, a key part of the project should revolve around obtaining real data from laboratory tests based on these cycles, and not just data from Code 2 tests. We also consider it important to optimise the database, by creating a dedicated software with a regularly updated database, which can guide the farmer in tracking his “typical use”. Moreover it is clear that the consumption of fuel, despite being one of the main factors that guide the farmer’s choice of tractor, is definitely not the only one. From an environmental point of view, it could be useful to also analyse gas emissions into the atmosphere, by measuring them with the appropriate instruments (opacimeters, lambda waves, etc.) during laboratory tests. All this data, if it was compared and evaluated against a reasoned average utilisation, could then be used as a basis for the distribution of agricultural subsidies, as is already the case in many other industries or in other countries, where the most efficient machines (both in terms of consumption and emissions) are funded by Rural Development Plans, or benefit from tax deductions or some form of government contribution.

Il trattore agricolo è una macchina complessa, progettata per fornire potenza ad un numero consistente di attrezzi diversi sotto forma meccanica, idraulica e modernamente anche pneumatica ed elettrica. Il tutto viene fornito all’operatore per il tramite di un motore endotermico (tipicamente a ciclo Diesel), che sfrutta l’energia chimica contenuta nel combustibile, trasformandola in lavoro meccanico. Il continuo aumento del costo del gasolio, unitamente ad una maggiore attenzione ai problemi ambientali, hanno aumentato notevolmente l’attenzione degli agricoltori ai consumi. Proprio per questo, negli ultimi anni molte organizzazioni nazionali ed internazionali hanno cercato di definire dei metodi per calcolare un indice di efficienza energetica (EEI) anche per i trattori, similmente a quanto già fatto, ad esempio, per le automobili o per diverse tipologie di elettrodomestici. In particolare, l’efficienza energetica di un qualsiasi sistema rappresenta la capacità di sfruttare l’energia ad esso fornito per soddisfarne i fabbisogni. Minori sono i consumi relativi al soddisfacimento di questo fabbisogno, e migliore risulta l’efficienza energetica del sistema. Nel settore della meccanizzazione agricola, diverse nazioni (Spagna, Corea, Turchia) hanno introdotto dei programmi per la definizione di questo indice, basandosi su dati già disponibili, come quelli delle prove del Codice 2 OCSE o delle prove di omologazione del motore endotermico. La DLG (una associazione di agricoltori tedeschi), invece, ha messo in opera un sistema diverso, basato su prove in pista che cercano di simulare dei cicli di lavoro reali, tipici dell’agricoltura centro-europea. Tuttavia, storicamente sia i codici OCSE che questi nuovi protocolli di prova hanno riguardato nella gran parte dei casi i trattori standard; viceversa, i trattori specializzati, impiegati nei vigneti, frutteti, nell’orto-floro-vivaistica e nella manutenzione del verde non hanno potuto finora godere delle medesime attenzioni. Scopo di questo lavoro è quindi quello di costruire una metodologia per poter calcolare un Indice di Efficienza Energetica anche per i trattori da vigneto. Una prima fase del lavoro ha visto l’analisi dell’operatività dei trattori da vigneto, per poter definire quali cicli lavorativi rilevare in quanto maggiormente impattanti. Si è quindi proceduto all’analisi, per diversi motivi solo parziale, di questi cicli reali di campo, analizzando le potenze trasmesse dal trattore alla macchina operatrice e (ove possibile) anche i consumi. Successivamente questi dati sono stati elaborati per costruire dei cicli teorici facilmente riproducibili in laboratorio, per il tramite di banchi prova appositi (freno motore in particolare). La ridotta collaborazione dei costruttori non ha però permesso di replicare in laboratorio questi cicli creati. Si è quindi deciso di tentare un’altra strada, ovvero utilizzare dei dati di prove motore già liberamente disponibili, ovvero quelli relativi alle prove Codice 2 OCSE. Nel periodo 2011-2015, su un totale di 278 test report emessi, solo 11 purtroppo erano relativi a trattori da vigneto e frutteto. Analizzando i report si è valutata la corrispondenza tra potenza rilevata nelle prove in campo e potenza rilevata nel test Codice 2, verificando inoltre la compatibilità della modalità di prova (con riguardo alla posizione dell’acceleratore). I diversi cicli sono stati quindi parificati a 4 diverse condizioni di prova del Codice 2 OCSE. I dati relativi ai consumi specifici (espressi in g/kWh) sono stati quindi analizzati introducendo un impegno temporale previsto per la singola operazione, espresso come percentuale del tempo totale di lavoro, questo in quanto l’agricoltore non utilizza il trattore per un’unica operazione, ma per più operazioni. L’agricoltore può inoltre variare le percentuali di utilizzo del trattore per la singola operazione, ricalcolando quindi sulla effettiva operatività aziendale l’Indice di Efficienza Energetica complessivo. Come spesso succede, però, un singolo numero, soprattutto se non immediatamente confrontato con altri, non dice molto all’utilizzatore finale. Si rende quindi indispensabile, come effettuato in molti altri casi, una definizione delle diverse classi energetiche, per poter facilmente confrontare i risultati ottenuti dal foglio di calcolo sopra indicato. Si è deciso di optare per l’introduzione di 7 classi, dalla A alla G, differenziate tra di loro per un intervalli di 30 g/kWh. Si tratta di una decisione puramente arbitraria, e ovviamente soggetta a futuri adeguamenti, anche in base al ridotto campione di trattori che è stato in questo momento analizzato. In conclusione, il progetto sviluppato durante questa tesi ha lo scopo principale di offrire all’utilizzatore di trattori specializzati diversi indici riguardanti l’efficienza energetica (e quindi, indirettamente, i possibili costi di gestione) dei trattori stessi in diverse condizioni operative, tipiche del settore viticolo e frutticolo. Futuri approfondimenti del lavoro dovranno sicuramente riguardare tutte le parti di questo lavoro. Si dovrà infatti implementare l’analisi reale delle diverse lavorazioni, con una misurazione puntuale delle potenze assorbite da diverse attrezzature (anche della stessa tipologia ma con capacità operative differenti), ricreando dei cicli teorici più affidabili possibili. Inoltre, la fase critica sarà quella per l’ottenimento dei dati reali da prove di laboratorio riferite ai cicli, e non più ai soli dati del codice 2. Si ritiene poi importante anche ottimizzare il database, creando un software apposito con un database periodicamente aggiornato, e in grado di guidare l’agricoltore nella compilazione del suo “uso tipico”. Inoltre, è ovvio che il consumo di combustibile, per quanto sia uno dei fattori principali che guidano l’agricoltore nella scelta del trattore, non è sicuramente l’unico. Dal punto di vista ambientale potrebbe essere utile analizzare anche le emissioni di gas in atmosfera, misurandole con l’apposita sensoristica (opacimetri, sonde lambda, etc.) durante le prove di laboratorio. Questi dati, confrontati tra loro su di un utilizzo medio ragionato, potrebbero essere utilizzati anche come base per l’erogazione di sussidi in agricoltura: come già avviene in molti altri settori o in altri paesi, dove le macchine maggiormente efficienti (sia come consumi che come emissioni) sono finanziate dai Piani di Sviluppo Rurale, soggette a defiscalizzazioni o comunque oggetto di contribuzione pubblica.