Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 34, January-December 2025, ISSN: 2071-0054
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ORIGINAL ARTICLE

Comparative Analysis Among the Battery-Powered and Diesel Tractors

 

iDArcadio Ríos Hernández*✉:arcadiorh1938@gmail.com


Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola, Boyeros, La Habana, Cuba.

 

*Author for correspondence: Arcadio Ríos Hernández, e-mail: arcadiorh1938@gmail.com

Abstract

The major advances in agriculture began with the beginning of the mechanization. However, this process has also caused significant environmental impacts. The introduction of tractors and other agricultural machines in Cuba have been developed impetuously in the period from 1959, but at the moment the research of options is required for a gradual renovation of the agricultural machinery due to its technical deterioration and obsolescence. The Agricultural Engineering Research Institute has performed an intensive test work and researches of new models of machines like option to the government and the farmers for the acquisition of the most advantageous models. It is objective of the present work to show the results of a comparative study among the electric tractors and those powered by diesel motors, analyzing as methodological aspects the saving of fuel, reduction of expenses in repair and maintenance, operation easiness, and impacts on the environment. The results indicate that the electric tractors have numerous advantages, although for their massive introduction it is necessary to consider some important factors.

Keywords: 
agriculture, electrification, environmental protection, energy saving

Received: 10/1/2025; Accepted: 23/4/2025

Arcadio Ríos Hernández. Doctor en Ciencias Técnicas, Investigador Titular, Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola. Teléf. 5 449 2622.

The author of this work declare no conflict of interests.

The mention of trademarks of specific equipment, instruments or materials is for identification purposes, there being no promotional commitment in relation to them, neither by the authors nor by the publisher.

CONTENT

Introduction

 

The agricultural production achieved a fundamental advance when were developed the first self-propelled machines moved with energy produced by the combustion: firstly with mechanisms worked by water vapor at high pressure and later with motors of internal combustion. These last ones began using as energy source the gasoline, generally with low power, but the development of the diesel motors facilitated to a sensibly increasing of the power and to diminish the costs, and from then on the fuel oil has been the fuel more used in the tractors, self-propelled harvesters and other motorized machines (FAO, 2022FAO: “La maquinaria agrícola debe evolucionar junto a la agricultura sostenible/The agricultural machinery should evolve next to the sustainable agriculture”, Roma, Italia, 2022.).

In 1959, to the victory of the Revolution, 9 thousand tractors existed; in 1975 it had been increased to 54 thousand. In 1998 was reached the figure of 105 thousand tractors and self-propelled harvesters, buy now exist about 70 000, although more than 34 % are inactive, mainly for lack of components and spare parts for their repair (Minag-Cuba, 2022MINAG-CUBA: Actualización técnica y registral de equipos agrícolas, Inst. Ministerio de la Agricultura. La Habana, Cuba, 2022.). The Table 1 shows the quantity tractors in existence in each county, and the Figure 1 the number for ranges of power.

TABLE 1.  Inventory of tractors in Cuba
Classification Range, hp Quantity of tractors %
Low Up to 80 37 924 54
Medium 81 - 120 27 390 39
High More than 120 4 917 7
Total 70 231 100
FIGURE 1.  Total of tractors and existence by provinces.

In Cuba a state politics exists regarding the continuous development of the equipment of the agriculture. The Resolution No. 6, of June 27, 2015 of the President of the Council of Ministers, settled down like some of the specific functions of the Ministry of the Agriculture: “To promote the development of the systems of mechanization, irrigation and agricultural drainage, to validate the introduction of new technologies and their efficient exploitation and to establish the regulations for the technical maintenance”.

In accordance with it, were emitted the Ordinance Law 2/2019 "Of the Mechanization, the Irrigation, the Agricultural Drainage and the Supply of Water to the Animals" GOC-Cuba (2020a)GOC-CUBA: “Decreto No. 21/2020. Reglamento del Decreto-Ley de la mecanización, el riego, el drenaje agrícola y el abasto de agua a los animales”, Gaceta Oficial de la República de Cuba, 2020a, ISSN: 0864 -0793, e-ISSN: 1682-7511., dealing with the whole politics on these activities, and the Ordinance 21/2020 that establishes the Regulation for its performing (GOC-Cuba, 2020bGOC-CUBA: “Decreto-Ley No. 2/2019. De la mecanización, el riego, el drenaje agrícola y el abasto de agua a los animales”, Gaceta Oficial de la República de Cuba, 2020b, ISSN: 0864 -0793, e-ISSN: 1682-7511.). In these Ordinances are settled down the orientations about the rehabilitation and replacement of tractors and other agricultural machines and these are implemented by means of the annual plans of the economy starting from the approved programs of agricultural development, being prioritized the proprietors of lands or productive forms having the biggest agricultural yields (Minag-Cuba, 2002MINAG-CUBA: Estrategia del desarrollo de la mecanización agropecuaria, Inst. Instituto de Investigaciones de Maquinaria Agrícola (IIMA), La Habana, Cuba, 50 p., 2002.).

Most of the existent tractors in Cuba have more than 20 years of exploitation, for what the gradual renovation of these is required. If we consider the renovation of alone 5 % per year, this implies the annual import of more than 3 500 tractors, what justifies fully to look for options as for the characteristics of the models, cost of exploitation, and easiness of maintenance and repair.

In very recent years has had a vertiginous advance the employment of the electricity for the movement of vehicles: automobiles, trucks, motorcycles, bicycles, and even already airplanes, ships and railroads. These advances have also arrived to the agricultural machinery, and numerous factories have developed tractors and other equipment using motors that are moved by means of the electricity accumulated in more and more compact and effective portable batteries.

For it Agricultural Engineering Research Institute undertook the task of the testing of diverse models of electric and diesel tractors motor and at the same time to carry out a comparative study between both types of machines. It is objective of the present work to show the main results of the study, especially in what refers to the comparison between the electric tractors and the similar models with diesel motors, emphasizing in the advantages and disadvantages of their use.

Materials and methods

 

In the study were used mainly the methodologies used by the Agricultural Engineering Research Institute to evaluate the fundamental indicators of the agricultural tractors in the state tests, especially in what refers to the technical characteristics of them, their performance and its parameters of exploitation. Methodologies of evaluation of the environmental impact of the agricultural machinery proposed by several authors were used (Águila, 2000ÁGUILA, A.: “Contribución al desarrollo de una metodología para la Evaluación de Impacto Ambiental en proyectos agropecuarios”, Pueblo y Educación, La Habana, Cuba, 139, 2000.; Díaz y Pérez, 2007DÍAZ, N.; PÉREZ, J.N.: “Metodología para evaluar el impacto de la maquinaria agrícola sobre los recursos naturales del medio ambiente”, Ciencias Holguín, 13(2): 1-12, 2007.).

For the collection and analysis of the information the methodological procedure understood searches in Internet sites about companies now producing electric tractors and the technical data of the models that they offer, as well as of the available information in the reports of the tests made in the IAgric of tractors with combustion motors and electric ones.

Discussion meetings were carried out with specialists in tests of tractors, as well as with ruling personnel and workers dedicated to the operation of the tractors. The results were processed by means of statistical analysis, with the use of tools and computing programs.

It was also gathered information on the topic (published works, papers presented in scientific events, reports of researches, laws, resolutions, institutional politics, etc.) about the mechanization of the agriculture and the importance of the tractorization, the energy saving and the availability of resources for the acquisition, repair and maintenance of these machines and the reduction of the (Newsletters, 2021NEWSLETTERS: “La contribución de la maquinaria agrícola al equilibrio entre economía y ecología/The contribution of the agricultural machinery to the balance between economy and ecology”, 2021.; Ríos, 2021RIOS, A.: Aspectos que inciden sobre el medio ambiente en la mecanización agropecuaria/Aspects that impact on the environment in the agricultural mechanization, Ed. Infoiima. In digital format. Havana, Cuba, second ed., La Habana, Cuba, La Habana, Cuba, 2021.; Ríos, 2024RÍOS, H.A.: “Measures to reduce the impacts of the agricultural mechanization on the environment”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 33(3), 2024, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054.).

Results and discussion

 

Importance of saving fuel in agricultural works

 

The rational use of the tractors and other machinery in the agricultural processes constitute the biggest potential of saving fuel and of the decrease of the contamination (Herrera et al., 2011HERRERA, P.M.I.; TOLEDO, A.; GARCÍA, F.M.P.: “Elementos de gestión en el uso del parque de tractores”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 20(1): 20-24, 2011, ISSN: 2071-0054.). Among the conventional energy sources more used in the mechanized processes of the agriculture are the liquid fuels (gasoline, diesel and other petroleum products), gasses (methane) and solids (mineral coal, firewood coal, wood), as well as the electricity (Petersson et al., 2021PETERSSON, J.; JOHANNSON, L.; NORDELOF, A.: “Consumption and Performance of Battery-powered Electric Tractors”, Journal of Agricultural Engineering, 2021.). All these energy sources come from the combustion of organic substances or minerals and produce gases with very undesirable consequences (Domingo et al., 2003DOMINGO, J.; ALFARO, A.; LÓPEZ PANTOJA, G.; SÁNCHEZ OSORIO, I.: “Los problemas ambientales y la evaluación de impacto ambiental”, Apuntes de Ciencia y Tecnología del Medio Ambiente. Universidad de Huelva, Colección “Materiales para la docencia”., 190, 2003.; Milanés, 2020MILANÉS, Y.: “Influencia de la mecanización agrícola en la contaminación ambiental”, Universidad de Granma, Bayamo, Cuba [en, 2020.; Infoagro, 2023INFOAGRO: “La relación de la maquinaria con el medio ambiente/The relationship of the machinery with the environment. Agri-nova Science”, 4, 2023.).

In the activities of agricultural mechanization in Cuba is a task of first order the reduction of the energy consumption (fuel and electricity) due to the high cost of the petroleum and their products in the international market and the shortage of foreign currencies and obstacles to obtain the fuel.

It should also be considered that the decrease in the consumption of fuel is a favorable action from the environmental point of view since the combustion motors produce the emission of the polluting gases that cause sour rains and the hothouse effect due to the damage to the layer of ozone, among other affectations (Herrera et al., 2011HERRERA, P.M.I.; TOLEDO, A.; GARCÍA, F.M.P.: “Elementos de gestión en el uso del parque de tractores”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 20(1): 20-24, 2011, ISSN: 2071-0054.). The electrification is convenient in the cases that are substituted for electric motors the diesel motors or gasoline motors, like it is the case of the tractors, combines and irrigation machines (Ríos, 2021RIOS, A.: Aspectos que inciden sobre el medio ambiente en la mecanización agropecuaria/Aspects that impact on the environment in the agricultural mechanization, Ed. Infoiima. In digital format. Havana, Cuba, second ed., La Habana, Cuba, La Habana, Cuba, 2021.).

More representative marks of electric tractors

 

Some companies producers of agricultural machines have begun in the last years in the production of electric tractors (Fiori et al., 2022FIORI, M.; ROLANDO, D.; MANELLI, V.: “Development and Testing of a Full Electric Agricultural Tractor”, Biosystem Engneering, 2022.). For example, the John Deere, with factories in USA and other countries, has been advancing in the development of electric and hybrid tractors. They presented in 1916 the model Sesam, being one of the first battery-powered tractors, but not started the production in great scale (John Deere, 2021JOHN DEERE: “Maquinaria agrícola más segura, eficiente y respetuosa con el medio ambiente/Agricultural machinery more sure, efficient and respectful with the environment, [en línea]”, 2021, Disponible en: http://www.Interempresas.net/Agrícola/Artículos/352599.). However, the firm Monarch, of USA, already offers in commercial scale an electric tractor that also has possibilities to work in an autonomous way.

The German company Fendt produces the model e-100 Vario, that is a compact electric tractor, especially for its use in gardening, hothouses, and small agricultural farms. Another North American firm, the Soletrac, is marketing low power models (Smith et al., 2021SMITH, R.; JONES, T.; GARCÍA, P.: Autonomous Electric Tractors for Precision Farming. A Review of Current Technologies, IEEE Access, USA, 2021.; Kara et al., 2023KARA, S.; LI, H.; ZHANG, W.: Feasibility of Electrifying Agricultural Machinery, Inst. Sustainabillity. (MDPI, Open Access), China, China, 2023.). The Chinese YTO produces two models, one of 50 kW and another of 100 kW, the first of them it is being evaluated in Cuba by the IAgric.

Energy saving

 

The main advantage of the electric tractors, in comparison with those equipped with combustion motors, resides in the saving of fuel, an aspect that can be evaluated comparing the monetary costs of the type energy used in both types. In the Table 2 the fundamental data appear for different ranges of power according to the most widespread classification (Altrac, 2022ALTRAC: Clasificación de los tractores agrícolas, Inst. Tractores Profesionales. Altrac, Huelva, España, 2022.; Larrazabal, 2022LARRAZABAL, M.: Tractores Agrícolas. Tipos, Clasificación y Características, Inst. Agromarketing Bialar (Agromarketing Digital y Social Media), España, 2022.; Soca, 2022SOCA, J.R.: Clasificación de los tractores, Universidad de Chapingo, México, 2022.).

TABLE 2.  Analysis of cost of the energy in the tractors electric YTO and of combustion
Power, hp Electric tractor Diesel tractor
Example Type of battery, kWh Cost of the recharge by hour of use, CUP/h Example Consumption, L/h Cost, CUP/h
50-65 e-504 70 11,41 MK-654 15,7 471,00
90-100 e-1004 100 16,30 LX-904 21,6 648,00

If we take as example a tractor of medium power, that is to say, of 90 - 100 hp, the saving in the cost of the energy is of about 626 CUP/h, a very important element to consider. The data of the cost of the electricity and the fuel are only illustrative, because the cost of the electricity and the diesel fuel can vary, and there are even subsidized entities or having a special treatment (see Table 2). Also, it is necessary to highlight the fact that generally the availability of fuel in offer doesn't always satisfy the necessities of the farmers and some of them should acquire a part of the fuel that they need buying it in the establishments that operate in foreign currencies. An additional aspect to consider is the energy efficiency: while a diesel motor has an energy efficiency of 30 - 40 %, in the electric motors it is near to 90 %.

Protection of the environment

 

Another advantage of the electric tractors resides in the facts that are friendlier with the environment, since they don't produce emissions of polluting gases. The combustion motors generate escape gases mainly composed of CO2 that is the most harmful for the ozone layer. The emission of gases is in dependence of the power of the motor, but also influenced by the work load that it undergoes, the efficiency of operation of the motor and its technical state. The diesel motors emit 2.68 kg of CO2 approximately for liter burnt. A tractor of 100 hp (74 kW) emits about 25.9 - 39.2 kg/h of CO2, and small quantities of other gases like N2O and NH4, but that they are much more harmful for the ozone layer that the CO2. These other gases produce an equivalent effect to 1.0 kg/h of CO2, for what the equivalent total emission is of 26.8 - 40.2 kg/h of CO2, as it is shown in the Table 3 (Infoagro, 2023INFOAGRO: “La relación de la maquinaria con el medio ambiente/The relationship of the machinery with the environment. Agri-nova Science”, 4, 2023.; Kara et al., 2023KARA, S.; LI, H.; ZHANG, W.: Feasibility of Electrifying Agricultural Machinery, Inst. Sustainabillity. (MDPI, Open Access), China, China, 2023.).

TABLE 3.  Analysis of emission of CO2 in different classes of tractors
Power, hp Class Consumption, L/h Emission of CO2, kg/h
50 Small 5 - 8 13,4 - 21,4
100 Mean 10 - 15 26,8 - 40,2
200 Big 15 - 25 40,2 - 67,0

Noise levels

 

The electric tractors work with a very low level of noise, which is beneficial for the tractor driver and for people that can be in the proximities. A tractor with combustion motor, still those equipped with a good system of subduing the noise, can generate sonic levels that affect the driver in the continuous work, reason why strict regulations exist in this respect (NC ISO 116: 2001NC ISO 116: 2001: Seguridad y salud en el trabajo. Requisitos ergonómicos básicos a considerar en los puestos, procesos y activi-dades de trabajo, Inst. Oficina Nacional de Normalización (ONN), La Habana, Cuba, Vig de 2001.).

It is of highlighting that the almost entirety of the tractors in Cuba has open cabs, for what the driver is subjected to support up to about 70 - 85 dB that can be increased to 120 dB when undergoes accelerations or heavy work. The norms of hygiene and security of the work specify that continuous noise levels of more than 85 dB can damage the health, what can be showed in sickness, disorientation and other affectations. The electric tractors have a very low noise level that doesn't surpass the 3 - 5 dB.

Maintenance and repair

 

The tractors with combustion motor have numerous components that require a maintenance and continued repair, especially the motor, lubrication system, cooling, starting, fuel pumping, etc., but the electric tractors don't have these components, reason why the works and maintenance costs are very low.

Time of autonomy

 

The main disadvantage of the electric tractors lies in the limited time of autonomy, this is in dependence of the duration of the charge of the battery, as well as other factors. In the Table 5 are given the average hours of autonomy with complete load in a tractor equipped with standard batteries of 40 - 100 kWh that for medium intensity works can be from 3 to 6 h in most of the works that are carried out in the agriculture. For example, the mark YTO offers tractors with two types of lithium batteries: the model e-504, of 50 hp, with battery of 70 kWh and the e-1004, of 100 hp with battery of 120 kWh. However, there are optionally batteries of high capacity whose duration of the charge can reach from 6 to 12 h. The batteries for the vehicles are being perfected to a vertiginous rhythm with new components, reason why continually is being increased the time of operation before a new recharge.

TABLE 4.  Duration of the recharge of the electric tractors according to the work
Type of work Examples Autonomy, hours
Slight Transport, reaping, weeds chopping, spraying 4 - 8
Medium 2nd ploughing, furrowing, cultivation, sowing 3 - 6
Heavy 1st ploughing, heavy harrowing 2 - 4

The heavy works diminish the time of autonomy, as well as other factors that require high energy consumption: the work in lands with slopes, the use of high speeds, the excess of heat or of humidity, etc., (Cheng et al., 2023CHENG, L.; WANG, M.; PATEL, K.: “Battery Thermal Management for Electric Tractors on High/Load Agricultural Operations”, Applied Thermal Engineering, 2023.).The Table 4 shows examples of autonomy for a tractor of medium power in different types of works.

It is necessary also to consider the time of recharge. While in a diesel tractor time for refueling is of some minutes, in the electric tractors the time of recharge of the battery can be of 8 - 12 h when a conventional loader is used, but it could decrease at 2 - 3 h if one of quick load is used. Models of tractors have been offered in which the package of batteries can be exchanged, that is to say that while the tractor works the other package it is loading.

Cost of acquisition

 

Another disadvantage is that the electric tractors have a cost of acquisition in a 30 - 40 % bigger that those with diesel motor, although also with the advances in the development and production of this type of machines, and especially, of the batteries, the initial cost decreases continually. However, the biggest initial cost is compensated quickly by the savings in fuel and in maintenance. It is considered that the investment in a combustion tractor recovers in a 5 year-old term, while one similar with electric motor it is of about 3 years.

Summary of the comparison among the electric and diesel tractors

 

In the Table 5 are shown in a comparative way, a summary of some differences among the technical characteristics for medium power tractors of typical models with electric and combustion motors. As it has been expressed in the previous epigraphs, the main advantages of the electric tractors are the smallest operation costs, zero emissions of noxious gases, smaller levels of noise, while the disadvantages reside in low autonomy, bigger initial cost and a weight until 20 % bigger (due to the weight of the battery) that can influence in the increment of the compactation of the soil (Folger, 2022FOLGER, T.: La maquinaria agrícola, cada vez más pesada, está aplastando los suelos agrícolas, Inst. National Geographic Society, USA, 5 p., 2022.).

TABLE 5.  Comparison of some important characteristics in diesel and electric medium power tractors
Characteristic Unit Electric tractor Diesel tractor
Mass % 10 - 20 % more
Cost of the tractor % 30 - 50 % more
Autonomy h 3 - 6 Continuous use
Emission of CO2 kg/h Not 26,8 - 40,2
Emission of noise dB 3 - 5 70 - 85
Cost of operation peso/h 16,30 648,00

Aspects to consider for the exploitation of electric tractors in Cuba

 

The main aspect to keep in mind is to have a point of recharge of the battery of the tractor, with the necessary power and voltage. To reduce the electricity consumption it is recommended the installation of recharge points equipped with photovoltaic panels, that also represents an elevation of the costs of introduction of the system, but that can be recovered in a brief term. When the electric net is used, it is recommended the recharge of the batteries during the night, for not affecting the consumption picks.

Another aspect to consider is the type of works to those that the tractor is dedicated, because the time of duration of the load of the battery cannot be in correspondence with the necessities of the works in the farm. Soil ploughing is a heavy work that requires a bigger energy consumption that the transport, and therefore, smaller time of operation before the battery is out.

The limitations in the time of autonomy would imply, for example, to have more than a tractor or of a reserve battery. Also, the electric tractors are 30 - 50 % more expensive, what generally depends on the high cost of the battery.

Conclusions

 

In the study were determined in a comparative way the main technical characteristics and data of the operation of different representative models of electric and diesel tractors. The results show that the electric tractors of medium power that are the most used, produce saving of about 631 pesos/h in operation costs, they avoid the emission of 26,8 - 40,2 kg of CO2/h, have noise levels that represent the 4 - 6 % with regard to the diesel tractors, among other advantages.

The negative factors are manifested in that the electric tractors have autonomy of 3 - 6 h, what implies long stops for recharge. Also, their use in heavy works or in difficult lands reduces the time of autonomy. The cost of acquisition can be of a 30 - 50 % bigger that those of diesel motor.

Recommendations

 

It is recommended to consider the advantages of the electric tractors in the acquisition of new machinery, with a gradual introduction for being creating the conditions and the knowledge in the use of these.

References

 

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 34, January-December 2025, ISSN: 2071-0054
 
ARTÍCULO ORIGINAL

Análisis comparativo entre los tractores eléctricos y diésel

 

iDArcadio Ríos Hernández*✉:arcadiorh1938@gmail.com


Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola, Boyeros, La Habana, Cuba.

 

*Autor para correspondencia: Arcadio Ríos Hernández, e-mail: arcadiorh1938@gmail.com

Resumen

Los grandes avances en la agricultura se iniciaron con el surgimiento de los medios mecanizados. Sin embargo, la mecanización también ha traído grandes afectaciones al medio ambiente. La introducción de tractores y otras máquinas agrícolas en Cuba se ha desarrollado impetuosamente en el período desde 1959, pero actualmente se requiere la investigación de opciones para una renovación gradual debido a su deterioro técnico y obsolescencia. El Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola ha venido desarrollando un intensivo trabajo de prueba e investigación de nuevos modelos de máquinas como opción al gobierno y a los productores agropecuarios para la adquisición de los modelos más ventajosos. Es objetivo del presente trabajo mostrar los resultados de un estudio comparativo entre los tractores eléctricos y los accionados por motor diesel, analizando como aspectos metodológicos el ahorro de combustible, reducción de gastos en reparación y mantenimiento, facilidad de operación, e impactos sobre el medio ambiente. Los resultados indican que los tractores eléctricos tienen numerosas ventajas, aunque para su introducción masiva es necesario considerar algunos factores importantes.

Palabras clave: 
agricultura, electrificación, protección medioambiental, ahorro de energía

Introducción

 

La producción agrícola logró un avance fundamental cuando comenzaron a desarrollarse las primeras máquinas autopropulsadas movidas con energía procedente de la combustión: primeramente, con mecanismos accionados por vapor de agua a alta presión y después con motores de combustión interna. Estos últimos se iniciaron usando como fuente energética la gasolina, generalmente con baja potencia, pero el desarrollo de los motores diésel facilitó incrementar sensiblemente la potencia y disminuir los costos, y desde entonces el fueloil ha sido el combustible más utilizado en los tractores, combinadas y otros equipos motorizados (FAO, 2022FAO: “La maquinaria agrícola debe evolucionar junto a la agricultura sostenible/The agricultural machinery should evolve next to the sustainable agriculture”, Roma, Italia, 2022.).

En 1959, al triunfo de la Revolución, existían 9 mil tractores, en 1975 se había ascendido a 54 mil. En 1998 se alcanzó la cifra de 105 mil tractores y cosechadoras autopropulsadas, pero actualmente existen unos 70 000, aunque más del 34 % están inactivos, principalmente por falta de componentes para su reparación (Minag-Cuba, 2022MINAG-CUBA: Actualización técnica y registral de equipos agrícolas, Inst. Ministerio de la Agricultura. La Habana, Cuba, 2022.). La Tabla 1 muestra la cantidad de tractores existentes en cada provincia, y la Figura 1 la disponibilidad por rangos de potencia.

TABLA 1.  Disponibilidad de tractores en Cuba
Clasificación según potencia Rango, hp Cantidad de tractores %
Baja Hasta 80 37 924 54
Media 81 - 120 27 390 39
Alta Más de 120 4 917 7
Total 70 231 100
FIGURA 1.  Total de tractores y existencia por provincias.

En Cuba existe una política estatal respecto al desarrollo continuo del equipamiento de la agricultura. La Resolución No. 6, de 27 de junio 2015 del Presidente del Consejo de Ministros, estableció como unas de las funciones específicas del Ministerio de la Agricultura: “Promover el desarrollo de los sistemas de mecanización, riego y drenaje agrícola, validar la introducción de nuevas tecnologías y su eficiente explotación y establecer las regulaciones para su asistencia técnica”.

A tenor con ello, fueron emitidos el Decreto Ley 2/2019 “De la Mecanización, el Riego el Drenaje Agrícola y el Abasto de Agua a los Animales” GOC-Cuba (2020a)GOC-CUBA: “Decreto No. 21/2020. Reglamento del Decreto-Ley de la mecanización, el riego, el drenaje agrícola y el abasto de agua a los animales”, Gaceta Oficial de la República de Cuba, 2020a, ISSN: 0864 -0793, e-ISSN: 1682-7511., que aborda toda la política sobre estas actividades, y el Decreto 21/2020 que establece el Reglamento para su ejecución (GOC-Cuba, 2020bGOC-CUBA: “Decreto-Ley No. 2/2019. De la mecanización, el riego, el drenaje agrícola y el abasto de agua a los animales”, Gaceta Oficial de la República de Cuba, 2020b, ISSN: 0864 -0793, e-ISSN: 1682-7511.). En estos Decretos se establecen las orientaciones sobre la rehabilitación y reposición de tractores y otros equipos agrícolas y estas se implementan mediante los planes anuales de la economía a partir de los programas de desarrollo agropecuario aprobados, priorizándose las diferentes formas productivas y agricultores pequeños que posean los mayores rendimientos agropecuarios (Minag-Cuba, 2002MINAG-CUBA: Estrategia del desarrollo de la mecanización agropecuaria, Inst. Instituto de Investigaciones de Maquinaria Agrícola (IIMA), La Habana, Cuba, 50 p., 2002.).

La mayoría de los tractores existentes en Cuba tienen más de 20 años de explotación, por lo que se requiere la renovación gradual de estos. Si consideramos la renovación de solo un 5 % por año, esto implica la importación anual de más de 3 500 tractores, lo que justifica plenamente buscar opciones en cuanto a modelos, costo de explotación y facilidades de mantenimiento y reparación.

En años muy recientes ha tenido un avance vertiginoso el empleo de la electricidad para el movimiento de vehículos: automóviles, camiones, motocicletas, bicicletas, e incluso ya aviones, barcos y ferrocarriles. Estos adelantos han llegado también a los equipos agrícolas, y numerosas fábricas han lanzado tractores y otros medios en que se emplean motores que se accionan mediante la acumulación de electricidad en baterías portátiles cada vez más compactas y efectivas.

Por ello el Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola acometió la tarea de someter a prueba diversos modelos de tractores eléctricos y de motor diésel y a la vez realizar un estudio comparativo entre ambos tipos de equipos. Es objetivo del presente trabajo mostrar los principales resultados del estudio, especialmente en lo que se refiere a la comparación entre los tractores eléctricos y los modelos similares de motores diésel, enfatizando en las ventajas y desventajas de su uso.

Materiales y métodos

 

En el estudio se emplearon en lo fundamental las metodologías empleadas por el Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola para evaluar los indicadores fundamentales de los tractores agrícolas en las pruebas estatales, especialmente en lo que se refiere a las características técnicas del equipo, sus parámetros de rendimiento y de explotación. Se utilizaron igualmente metodologías de evaluación del impacto ambiental de la maquinaria agrícola propuestas por varios autores (Águila, 2000ÁGUILA, A.: “Contribución al desarrollo de una metodología para la Evaluación de Impacto Ambiental en proyectos agropecuarios”, Pueblo y Educación, La Habana, Cuba, 139, 2000.; Díaz y Pérez, 2007DÍAZ, N.; PÉREZ, J.N.: “Metodología para evaluar el impacto de la maquinaria agrícola sobre los recursos naturales del medio ambiente”, Ciencias Holguín, 13(2): 1-12, 2007.).

Para la recopilación y análisis de la información el procedimiento metodológico comprendió búsquedas en sitios de Internet sobre empresas que actualmente producen tractores eléctricos y los datos técnicos de los modelos que ofertan, así como de la información disponible en los informes de las pruebas efectuadas en el IAgric de tractores con motores de combustión y eléctricos.

Se realizaron encuentros de discusión con especialistas en pruebas de tractores, así como con personal dirigentes y obreros dedicados a la explotación de estos equipos. Los resultados se procesaron mediante análisis estadístico, con el uso de herramientas y programas de computación.

Se recopiló también información sobre el tema (trabajos publicados, trabajos presentados en eventos científicos, informes de investigaciones, leyes, resoluciones, políticas institucionales, etc.) sobre la mecanización de la agricultura y la importancia de la tractorizacion, el ahorro de energía y la disponibilidad de recursos para la adquisición, reparación y mantenimiento de estos equipos y la reducción de los impactos de la maquinaria agrícola en los aspectos ecológicos (Newsletters, 2021NEWSLETTERS: “La contribución de la maquinaria agrícola al equilibrio entre economía y ecología/The contribution of the agricultural machinery to the balance between economy and ecology”, 2021.; Ríos, 2021RIOS, A.: Aspectos que inciden sobre el medio ambiente en la mecanización agropecuaria/Aspects that impact on the environment in the agricultural mechanization, Ed. Infoiima. In digital format. Havana, Cuba, second ed., La Habana, Cuba, La Habana, Cuba, 2021.; Ríos, 2024RÍOS, H.A.: “Measures to reduce the impacts of the agricultural mechanization on the environment”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 33(3), 2024, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054.).

Resultados y discusión

 

Importancia del ahorro de combustible en las labores agrícolas

 

El uso racional de los tractores y sus agregados en los procesos agrícolas constituye el mayor potencial de ahorro de combustible y de disminución de la contaminación (Herrera et al., 2011HERRERA, P.M.I.; TOLEDO, A.; GARCÍA, F.M.P.: “Elementos de gestión en el uso del parque de tractores”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 20(1): 20-24, 2011, ISSN: 2071-0054.). Entre las fuentes energéticas convencionales más utilizadas en los procesos mecanizados de la agricultura tenemos los combustibles líquidos (gasolina, diésel y otros derivados del petróleo), gaseosos (gas metano) y sólidos (carbón mineral, carbón de leña, madera), así como la electricidad (Petersson et al., 2021PETERSSON, J.; JOHANNSON, L.; NORDELOF, A.: “Consumption and Performance of Battery-powered Electric Tractors”, Journal of Agricultural Engineering, 2021.). Todas estas fuentes de energía proceden de la combustión de sustancias orgánicas o minerales y producen gases que contaminan la atmósfera, con consecuencias muy indeseables (Domingo et al., 2003DOMINGO, J.; ALFARO, A.; LÓPEZ PANTOJA, G.; SÁNCHEZ OSORIO, I.: “Los problemas ambientales y la evaluación de impacto ambiental”, Apuntes de Ciencia y Tecnología del Medio Ambiente. Universidad de Huelva, Colección “Materiales para la docencia”., 190, 2003.; Milanés, 2020MILANÉS, Y.: “Influencia de la mecanización agrícola en la contaminación ambiental”, Universidad de Granma, Bayamo, Cuba [en, 2020.; Infoagro, 2023INFOAGRO: “La relación de la maquinaria con el medio ambiente/The relationship of the machinery with the environment. Agri-nova Science”, 4, 2023.).

En las actividades de mecanización agropecuaria en Cuba es una tarea de primer orden la reducción del consumo de energía (combustible y electricidad) debido a su alto costo del petróleo y sus derivados en el mercado internacional y la escasez de divisas y obstáculos para obtenerlo.

También debe considerarse que la disminución en el consumo de combustible equivale a una acción favorable desde el punto de vista medioambiental ya que los motores de combustión producen la emisión de gases contaminantes que provocan lluvias ácidas y el llamado efecto invernadero debido al daño a la capa de ozono, entre otras afectaciones (Herrera et al., 2011HERRERA, P.M.I.; TOLEDO, A.; GARCÍA, F.M.P.: “Elementos de gestión en el uso del parque de tractores”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 20(1): 20-24, 2011, ISSN: 2071-0054.). La electrificación resulta conveniente en los casos que se sustituyen motores diesel o de gasolina altamente gastadores por motores eléctricos, como es el caso de los tractores, combinadas y equipos de riego (Rios, 2021RIOS, A.: Aspectos que inciden sobre el medio ambiente en la mecanización agropecuaria/Aspects that impact on the environment in the agricultural mechanization, Ed. Infoiima. In digital format. Havana, Cuba, second ed., La Habana, Cuba, La Habana, Cuba, 2021.).

Marcas más representativas de tractores eléctricos

 

Numerosas empresas productoras de máquinas agrícolas se han iniciado en los últimos años en la producción de tractores eléctricos (Fiori et al., 2022FIORI, M.; ROLANDO, D.; MANELLI, V.: “Development and Testing of a Full Electric Agricultural Tractor”, Biosystem Engneering, 2022.). Por ejemplo, la John Deere, con fábricas en EEUU y otros países, ha estado avanzando en el desarrollo de tractores eléctricos e híbridos. Todavía no se ha lanzado la producción en gran escala, pero el modelo Sesam fue presentado en 1916, siendo uno de los primeros (John Deere, 2021JOHN DEERE: “Maquinaria agrícola más segura, eficiente y respetuosa con el medio ambiente/Agricultural machinery more sure, efficient and respectful with the environment, [en línea]”, 2021, Disponible en: http://www.Interempresas.net/Agrícola/Artículos/352599.). Sin embargo, la firma Monarch, de EEUU, ya produce en escala comercial un tractor eléctrico que además tiene posibilidades de trabajar de forma autónoma.

La empresa alemana Fendt produce el modelo e-100 Vario, que es un tractor eléctrico compacto, especialmente para su uso en jardinería, invernaderos, y pequeñas granjas agrícolas. Otra firma norteamericana, la Soletrac, comercializa modelos de baja potencia (Smith et al., 2021SMITH, R.; JONES, T.; GARCÍA, P.: Autonomous Electric Tractors for Precision Farming. A Review of Current Technologies, IEEE Access, USA, 2021.; Kara et al., 2023KARA, S.; LI, H.; ZHANG, W.: Feasibility of Electrifying Agricultural Machinery, Inst. Sustainabillity. (MDPI, Open Access), China, China, 2023.). La firma china YTO produce dos modelos de tractores eléctricos, uno de 50 kW de potencia y otro de 100 kW, el primero de los cuales está siendo evaluado en Cuba por el IAgric.

El ahorro de energía

 

La principal ventaja de los tractores eléctricos, en comparación con los equipados con motores de combustión, radica en el ahorro de combustible, lo cual puede evaluarse comparando los costos monetarios del tipo de energía empleados en ambos tipos de equipos. En la Tabla 2 aparecen los datos fundamentales para diferentes rangos de potencia según la clasificación más generalizada (Altrac, 2022ALTRAC: Clasificación de los tractores agrícolas, Inst. Tractores Profesionales. Altrac, Huelva, España, 2022.; Larrazabal, 2022LARRAZABAL, M.: Tractores Agrícolas. Tipos, Clasificación y Características, Inst. Agromarketing Bialar (Agromarketing Digital y Social Media), España, 2022.; Soca, 2022SOCA, J.R.: Clasificación de los tractores, Universidad de Chapingo, México, 2022.).

TABLA 2.  Análisis de costo de la energía en los tractores YTO eléctricos y diésel
Potencia, hp Tractor eléctrico Tractor diesel
Ejemplo Tipo de batería, kWh Costo de recarga por hora de uso, CUP/h Ejemplo Consumo, L/h Costo, CUP/h
50 - 65 e-504 70 11,41 MK-654 15,7 471,00
90 - 100 e-1004 100 16,30 LX-904 21,6 648,00

Si tomamos como ejemplo un equipo de potencia media, o sea, de 90 - 100 hp, el ahorro en el costo de la energía es de unos 626 CUP/h, lo cual es un elemento muy importante. Los datos del costo de la electricidad y el combustible son solo orientativos, pues las tarifas de la electricidad y los precios del diésel pueden variar, e incluso hay entidades subsidiadas o que tienen un tratamiento especial (Tabla 2). Además, hay que tener en cuenta que generalmente la disponibilidad de combustible en oferta no siempre satisface las necesidades de los productores y algunos deben acudir al mercado en divisas. Un aspecto adicional a considerar es la eficiencia energética: mientras que un motor diésel tiene una eficiencia energética del 30 - 40 %, en los motores eléctricos es cercana al 90 %.

Protección del medio ambiente

 

Otra ventaja de los tractores eléctricos radica en que son más amigables con el medio ambiente, ya que no producen emisiones de gases contaminantes. Los motores de combustión generan gases de escape que en su mayor parte se componen de CO2, que es el más dañino para la capa de ozono. La emisión de gases está en dependencia de la potencia del motor, pero también influido por la carga de trabajo a que se somete el equipo, la eficiencia de funcionamiento del motor y su estado técnico. Los motores diésel emiten aproximadamente 2,68 kg de CO2 por litro quemado. Un tractor de 100 hp (74 kW) emite unos 25,9 - 39,2 kg/h de CO2, y cantidades pequeñas de otros gases como N2O y NH4, pero que son mucho más dañinos para la capa de ozono que el CO2. Estos otros gases producen un efecto equivalente a 1,0 kg/h de CO2, por lo que la emisión total equivalente es de 26,8-40,2 kg/h de CO2, según se muestra en la Tabla 3 (Infoagro, 2023INFOAGRO: “La relación de la maquinaria con el medio ambiente/The relationship of the machinery with the environment. Agri-nova Science”, 4, 2023.; Kara et al., 2023KARA, S.; LI, H.; ZHANG, W.: Feasibility of Electrifying Agricultural Machinery, Inst. Sustainabillity. (MDPI, Open Access), China, China, 2023.).

TABLA 3.  Análisis de emisión de CO2 en diferentes clases de tractores
Potencia, hp Clase Consumo, L/h Emisión de CO2, kg/h
50 Pequeño 5 - 8 13,4 - 21,4
100 Medio 10 - 15 26,8 - 40,2
200 Grande 15 - 25 40,2 - 67,0

Niveles de ruido

 

Los tractores eléctricos funcionan con un nivel muy bajo de ruido, lo cual es beneficioso para su operador y para las personas que puedan estar en su entorno cercano. Un tractor con motor de combustión, aún los equipados con un buen sistema de amortiguación del ruido, pueden generar niveles sónicos que en el trabajo continuado afectan al operador, por lo cual existen regulaciones estrictas al respecto (NC ISO 116: 2001NC ISO 116: 2001: Seguridad y salud en el trabajo. Requisitos ergonómicos básicos a considerar en los puestos, procesos y activi-dades de trabajo, Inst. Oficina Nacional de Normalización (ONN), La Habana, Cuba, Vig de 2001.).

Es de destacar que la casi totalidad de los tractores en Cuba tienen cabina abierta, por lo que el operador está sometido a soportar hasta unos 70 - 85 dB, que pueden incrementarse a 120 dB cuando se somete el equipo a aceleraciones o trabajo pesado. Las normas de higiene y seguridad del trabajo especifican que niveles continuados de más de 85 dB pueden dañar la salud del operador, lo que puede manifestarse en mareos, desorientación y otras afectaciones. Los tractores eléctricos tienen un nivel de ruido muy bajo, que no sobrepasa los 3 - 5 dB.

Mantenimiento y reparación

 

Los tractores con motor de combustión tienen numerosos componentes que requieren un mantenimiento y reparación continuados, especialmente el motor, sistema de lubricación, enfriamiento, arranque, bomba de combustible, etc. En cambio, los tractores eléctricos no disponen de estos equipos, por lo cual las labores y costos de mantenimiento son mínimos.

Tiempo de autonomía

 

La principal desventaja de los tractores eléctricos radica en el limitado tiempo de autonomía, pues esto está en dependencia de la duración de la carga de la batería, así como otros factores. En la Tabla 5 se dan las horas promedio de autonomía con carga completa en un tractor equipado con baterías estándar, de 40 - 100 kWh, que para trabajos de intensidad media puede ser de 3 a 6 h en la mayoría de los trabajos que se realizan en la agricultura. Por ejemplo, la marca YTO oferta tractores con dos tipos de baterías de litio: el modelo e-504, de 50 hp, con batería de 70 kWh y el e-1004, de 100 hp con batería de 120 kWh. Sin embargo, hay baterías opcionales de alta capacidad cuya duración de la carga puede alcanzar de 6 a 12 h. Las baterías para los vehículos están siendo perfeccionadas a un ritmo vertiginoso con nuevos componentes, por lo cual continuamente irá incrementándose el tiempo de operación antes de una nueva recarga.

TABLA 4.  Duración de la recarga de los tractores eléctricos según el tipo de labor
Tipo de trabajo Ejemplos Autonomía, hora
Trabajo ligero Transporte, siega, chapea, fumigación 4 - 8
Trabajo medio Cruce, surcado, cultivo, siembra 3 - 6
Trabajo pesado Roturación, grada pesada 2 - 4

Los trabajos pesados disminuyen el tiempo de autonomía, así como otros factores en los que se produce mayor gasto energético: el trabajo en terrenos con pendientes, el uso de velocidades elevadas, el exceso de calor o de humedad, etc., (Cheng et al., 2023CHENG, L.; WANG, M.; PATEL, K.: “Battery Thermal Management for Electric Tractors on High/Load Agricultural Operations”, Applied Thermal Engineering, 2023.). La Tabla 4 muestra ejemplos de autonomía para un tractor de potencia media en diferentes tipos de labores.

Hay que considerar también el tiempo de recarga. Mientras que un tractor de combustible el reabastecimiento dura solo unos minutos, en los equipos con batería el tiempo de recarga puede ser de 8 - 12 h cuando se usa un cargador convencional, pero pudiera reducirse a 2 - 3 h si se emplea uno de carga rápida. Se han ofertado modelos en los cuales puede intercambiarse el paquete de baterías, o sea, que mientras el tractor trabaja se está cargando el otro paquete.

Costo de adquisición

 

Otra desventaja es que los tractores eléctricos tienen un costo de adquisición en un 30 - 40 % mayor que los de motor diésel, aunque también con los avances en el desarrollo y fabricación de este tipo de equipos, y en especial, de las baterías, el costo inicial baja continuamente. Sin embargo, el mayor costo inicial se compensa rápidamente por los ahorros en combustible y en mantenimiento. Se estima que la inversión en un tractor de combustión se recupera en un plazo de 5 años, mientras que uno similar con motor eléctrico es de unos 3 años.

Resumen del análisis comparativo entre los tractores eléctricos y diésel

 

En la Tabla 5 se muestran como ejemplo, de forma comparativa, un resumen de algunas diferencias entre las características técnicas para tractores de potencia media de modelos típicos con motor eléctrico y de combustión. Como se ha expresado en los epígrafes anteriores, las principales ventajas de los tractores eléctricos son los menores costos de operación, cero emisiones de gases nocivos, menores niveles de ruido, mientras que las desventajas radican en poca autonomía, mayor costo inicial y un peso hasta el 20 % mayor (debido al peso de la batería), que puede influir en el incremento de la compactación del suelo (Folger, 2022FOLGER, T.: La maquinaria agrícola, cada vez más pesada, está aplastando los suelos agrícolas, Inst. National Geographic Society, USA, 5 p., 2022.).

TABLA 5.  Resumen comparativo de algunas características importantes de tractores de potencia media diésel y eléctricos
Característica Unidad Tractor eléctrico Tractor diésel
Masa % 10 - 20 % más
Costo del tractor % 30 - 50 % más
Autonomía h 3 - 6 Uso continuado
Emisión de CO2 kg/h No 26,8 - 40,2
Emisión de ruido dB 3 - 5 70 - 85
Costo de operación peso/h 16,30 648,00

Aspectos a tener en cuenta para la explotación de tractores eléctricos en Cuba

 

El principal aspecto a tener en cuenta es disponer de un punto de recarga de la batería del tractor, con la potencia y voltaje necesario. Para reducir el consumo de electricidad se recomienda la instalación de puntos de recarga equipados con paneles solares, lo cual también representa una elevación de los costos de introducción del sistema, pero que se recuperan en un breve plazo. Cuando se utilice la red eléctrica se recomienda la recarga de las baterías de los tractores durante la noche, para no afectar los picos de consumo.

Otro aspecto a considerar es el tipo de labores a los que se destina el tractor, pues el tiempo de duración de la carga de la batería puede no estar en correspondencia con las necesidades de las labores a que debe destinarse el equipo. La preparación de suelos es una labor pesada que requiere de un mayor consumo energético que el transporte, y por lo tanto, menor tiempo de operación antes de que se agote la batería.

Las limitaciones en el tiempo de autonomía implicarían, por ejemplo, disponer de más de un tractor o de una batería de repuesto. Además, los tractores eléctricos son 30 - 50 % más caros, lo que se debe generalmente al alto costo de la batería.

Conclusiones

 

En el estudio se determinaron de modo comparativo las principales características técnicas y de funcionamiento de diferentes modelos representativos de tractores eléctricos y de motor diésel. Los resultados muestran que los tractores eléctricos de potencia media, que son los más utilizados, producen ahorro de unos 631 pesos/h en costos de operación, evitan la emisión de 26,8 - 40,2 kg de CO2/h, tienen niveles de ruido que representan el 4 - 6 % con respecto al diésel, entre otras ventajas.

Los factores negativos se manifiestan en que los tractores eléctricos tienen una autonomía de unas 3 - 6 h, lo que implica largas paradas para recarga. Además, su uso en labores pesadas o en terrenos difíciles reduce el tiempo de autonomía. El costo de adquisición puede ser de un 30 - 50 % mayor que los de motor diésel.

Recomendaciones

 

Considerar las ventajas de los tractores eléctricos en la adquisición de nuevos equipos, con una introducción gradual para ir creando las condiciones y el conocimiento en el uso de estos.