Pilas de combustible y sistemas de almacenamiento o generación de hidrógeno para propulsión de aeronaves no tripuladas (UAVs) eléctricas de gran autonomía

Abstract

En la actualidad, el uso del hidrógeno en pilas de combustible para la producción de electricidad es una tecnología que está despertando el interés del sector científico e industrial por su potencial para una producción sostenible de energía. La implementación de este tipo de sistemas en los diversos medios de transporte puede suponer un cambio drástico en el sector, ya que por un lado se reduciría la dependencia de los combustibles fósiles y por otro se estaría contribuyendo a un desarrollo sostenible al eliminar la emisión de ciertos gases contaminantes. Además, los sistemas de propulsión eléctrica ofrecen más alto rendimiento y fiabilidad, y reducen tanto vibraciones como las huellas acústica y térmica.
El reto que presentan los sistemas de propulsión eléctrica actuales reside en el hecho de que las baterías tienen todavía una energía específica (Wh/kg) limitada dando lugar a sistemas o muy pesados o que no ofrecen la autonomía necesaria para competir con la tecnología convencional basada en motores de combustión. Como alternativa se propone el uso de pilas de combustible tipo PEM junto a sistemas de almacenamiento o generación de hidrógeno, que proporcionan una gran energía específica (Wh/kg). Sin embargo, su baja potencia específica (W/kg) ocasiona que no se pueda responder a los picos de demanda de potencia del vehículo o que durante la mayor parte de la misión la pila esté sobredimensionada. Por tanto se plantea la integración de sistemas de propulsión híbridos, en los que la pila de combustible estaría dimensionada para cubrir la demanda de crucero del UAV y una batería de Litio polímero, con una potencia específica mucho mayor, haría frente a los picos de potencia que la pila de combustible no pueda resolver.
El hidrógeno se está considerando como vector energético en medios de transporte, ya que tiene una energía específica mucho más alta que cualquiera de los combustibles utilizados hasta el momento. Sin embargo, incluso contando con la energía específica más alta, su baja densidad energética hace que la energía específica de los sistemas resultantes sea aún limitada, siendo necesario desarrollar nuevos sistemas de almacenamiento o generación que incrementen la energía específica del sistema completo.
En este trabajo, se han analizado las principales tecnologías de almacenamiento de hidrógeno como el hidrógeno comprimido y el hidrógeno líquido, así como sistemas de generación de hidrógeno a bordo del vehículo basados en hidruros que están en desarrollo o bien en proceso de investigación de cara a un futuro próximo. Se han analizado las ventajas y desventajas de cada tecnología para su aplicación en sistemas de propulsión de aeronaves no tripuladas eléctricas con peso máximo al despegue de 25 kg. Se ha elegido este tipo de aeronaves porque son las que se prevé que abran antes el mercado civil de los UAVs. La misión planteada para el UAV es la vigilancia de fronteras, de tal forma que es necesario un UAV con una autonomía razonable.
Se ha seleccionado como aeronave el modelo de UAV Penguin de la empresa UAV Factory que cuenta con una versión de baterías y otra de combustible fósil, con autonomías de 110 min y 20 horas, respectivamente. La finalidad de este proyecto es integrar en este UAV un sistema hibrido basado en baterías de litio polímero y una pila de combustible tipo PEM que aumente considerablemente la autonomía de la versión eléctrica comercial. De la misma forma se estudiará la evolución de las cargas de pago que permite cada sistema.
De los datos publicados por el fabricante, se determinó que la potencia de crucero del UAV es de unos 350 W. Consecuentemente, se seleccionó una pila de combustible de 500 W capaz de alimentar al motor eléctrico, a los sistemas auxiliares del avión y a la carga de pago, y se dimensionaron las baterías auxiliares del sistema híbrido.
A partir de los datos obtenidos en el planteamiento de los sistemas de generación o almacenamiento de hidrógeno, se ha realizado un análisis económico para determinar su coste de operación a largo plazo, el coste de mantenimiento y el coste de producción de hidrógeno con cada sistema. En concreto, las tecnologías elegidas para el estudio económico han sido el hidrógeno líquido, el borohidruro de sodio y el amina-borano. La elección se ha basado en distintos criterios. Por ejemplo, la elevada densidad y pureza para el caso del hidrógeno líquido o la gran cantidad de hidrógeno contenido en el borohidruro de sodio y del amina-borano.
El análisis económico ha dado como resultado que el sistema basado en amina-borano tiene unos costes de reactivos tan elevados que el monto final es casi más de un orden de magnitud superior al coste del resto de los sistemas analizados. En cuanto a las otras dos tecnologías, se han estudiado, para cada una de ellas, tres caminos por los cuales se podrían llevar a cabo, existiendo significativas diferencias de costes entre dichos caminos. En general, habiendo estudiado los costes de obtención de combustible, precio y mantenimiento de los sistemas, así como el coste de la pila de combustible o de los servicios de mantenimiento, el hidrógeno líquido apunta como la tecnología más económica a largo plazo.
En base a los resultados del análisis de las características de los distintos sistemas de almacenamiento o generación de hidrógeno y sus costes asociados, se ha seleccionado el hidrógeno líquido, pues a diferencia de las reacciones de generación de hidrógeno que emplean reactivos, cuya producción sí que contamina, este sí que puede ser un combustible totalmente sostenible mediante la producción electrolítica de hidrógeno a partir de agua y empleando fuentes de energía renovables. Además, como factor a favor, del análisis económico se puede destacar que los sistemas de hidrógeno líquido ocasionan un menor coste por vuelo.
Se ha diseñado un sistema de almacenamiento de hidrógeno líquido basado en depósitos Dewar, se ha integrado el sistema hibrido en el UAV, estableciendo la disposición de los distintos componentes para así obtener una distribución adecuada que permita alojar el sistema de suministro de hidrógeno, la pila de combustible, los sistemas auxiliares del avión y la carga de pago de forma que se respeten los límites del centro de gravedad del avión. Al no haber reacciones químicas no hay que considerar temperaturas de reacción o gestión de productos, pero si se han tenido en cuenta otros factores como la temperatura y presión del hidrógeno o la refrigeración del calor generado por la pila y el flujo de aire de reacción necesario.
Para ilustrar el diseño del sistema y su integración en el UAV, se ha realizado una representación gráfica mediante el programa CAD Solid Edge.
Finalmente se ha realizado una comparación entre los modelos del UAV existentes (baterías y combustible fósil) y el resultado de integrar el sistema hibrido (pila de combustible, baterías y suministro de hidrógeno). De forma que se puede concluir que el hidrógeno es un vector energético que no puede hacer frente a ciertas propiedades que proporcionan los sistemas basados en combustibles fósiles, pero sí puede ser el nexo de unión a la hora de tener las ventajas de un UAV eléctrico y una autonomía competitiva, aunque nunca superior, en un mismo vehículo.