Celle a combustibile per veicoli aerei senza pilota multirotore: uno studio comparativo sullo stoccaggio dell'energia e sull'analisi delle prestazioni

Nel 2019, le emissioni globali di anidride carbonica hanno raggiunto i 920 milioni di tonnellate [1]. Le emissioni di carbonio provenienti da tutte le modalità di trasporto rappresentano circa il 21% delle emissioni totali, con un contributo significativo da parte dell’industria aeronautica. Attualmente, le emissioni del trasporto aereo rappresentano circa il 12% di tutte le emissioni legate ai trasporti-, con la combustione del cherosene aeronautico che rappresenta il 79% delle emissioni del settore aeronautico. Anche se la percentuale complessiva delle emissioni dell’industria aeronautica potrebbe non sembrare particolarmente significativa al momento, il processo di decarbonizzazione del cherosene per l’aviazione è relativamente lento rispetto a quello di altri settori dei trasporti. Il Climate Action Tracker ha anche definito “insufficienti” i progressi dell’industria aeronautica verso la neutralità delle emissioni di carbonio. Man mano che altri settori abbracciano la decarbonizzazione, la quota relativa delle emissioni di settori come l’aviazione, che sono “difficili da ridurre”, aumenterà inevitabilmente. Se il tasso di crescita annuale previsto dell’industria aeronautica rimane incontrollato per i prossimi 20 anni, le emissioni potrebbero aumentare dell’11% entro il 2040 [2]. Entro il 2050, una prospettiva preoccupante è che il 25% delle emissioni globali di carbonio potrebbero provenire dall’industria aeronautica. Di conseguenza, le fonti energetiche alternative come le celle a combustibile a idrogeno, i biocarburanti e i pannelli solari sono diventati argomenti di ricerca importanti nel settore dell’aviazione [3]. La decarbonizzazione e l’elettrificazione dell’aviazione, in particolare dell’aviazione civile, sono diventate urgenti imperativi globali [4,5].

I veicoli aerei senza pilota multirotore (UAV) sono parte integrante del settore dell'aviazione e sono ampiamente utilizzati in applicazioni quali agricoltura, silvicoltura, ispezioni regionali e trasporto rapido a corto-medio- raggio [6,7]. Si sta sviluppando anche una ricerca corrispondente volta a migliorare le prestazioni concentrandosi sul controllo dei parametri di volo, sulla pianificazione del percorso e sull'ottimizzazione delle strutture di volo [[8], [9], [10]]. Tuttavia, una limitazione fondamentale della maggior parte degli UAV multirotore commerciali attualmente disponibili è la loro dipendenza dalle batterie al litio. Questi UAV tipicamente mostrano masse-al decollo<25 kg, payload capacities <5 kg, and flight duration times ≤40 min [[11], [12], [13]]. This durability challenge restricts the use of these battery-powered UAVs in different scenarios. To boost the maximum range and operational capabilities, significant research has focused on investigating high-capacity batteries, using lightweight materials in the structure, and optimising path planning.

Attualmente, le-batterie-all'avanguardia-ai polimeri di litio-forniscono energie specifiche nell'intervallo 130-200 Wh/kg. Considerando il potenziale delle future tecnologie delle batterie, si prevede un intervallo calcolato con le nuove tecnologie che raggiunge i 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] hanno delineato le prospettive e le sfide tecniche che devono affrontare le batterie al litio-zolfo. Anche se un’elevata densità di energia specifica superiore a 400 Wh/kg potrebbe ridurre significativamente la massa del sistema di propulsione rispetto alle batterie convenzionali, il che renderebbe competitive le batterie al litio-zolfo, la loro breve vita media ne ostacola l’applicazione. Yap et al. [17] hanno esplorato gli UAV leggeri attraverso una combinazione di produzione additiva utilizzando la stampa 3D e l’ottimizzazione della struttura topologica. Yuan et al. [18] hanno studiato l'impatto dei parametri di progettazione come il raggio dell'elica, la velocità dell'elica, il numero di pale dell'elica, la larghezza della corda e l'angolo di pre-torsione sulle dinamiche di volo e sulle prestazioni di un aereo. Utilizzando il metodo di progettazione Adkins-Liebeck, hanno ottimizzato il design delle pale, ottenendo una riduzione di circa il 3% del consumo energetico dell'aereo. Huang et al. [19] hanno proposto un metodo di pianificazione delle attività e di pianificazione del percorso per una flotta combinata di UAV e camion basato su un algoritmo di colonia di formiche per migliorare l'efficienza del trasporto degli sciami di UAV per la logistica. Questo approccio ha esteso in modo significativo il raggio di copertura operativa degli UAV-alimentati a batteria.

Tuttavia, la densità energetica delle batterie al litio fa sì che i metodi sopra-menzionati abbiano un impatto relativamente limitato sull'estensione della portata dell'UAV. Inoltre, a causa della significativa richiesta di potenza della massa aggiuntiva, la semplice aggiunta di più batterie non estende sostanzialmente la portata massima. Di conseguenza, esiste un’urgente necessità di esplorare miglioramenti al gruppo propulsore per aumentare l’energia specifica.

L'idrogeno, con la sua densità di energia tre-più elevata rispetto al cherosene tradizionale, è promettente come potenziale soluzione energetica per il volo a lungo-raggio. Attualmente, i comuni sistemi ibridi a celle a combustibile forniscono livelli energetici specifici che vanno da 250 a 540 Wh/kg [20]. L'applicazione dei sistemi di propulsione a celle a combustibile è un argomento di ricerca popolare nel settore dell'aviazione [21]. Un esempio è la serie Horizon Energy Systems Aerostack [22]. Le celle a combustibile-raffreddate ad aria sono state integrate con successo in numerosi UAV [[23], [24], [25], [26], [27]].

La preferenza per il-raffreddamento ad aria negli stack di celle a combustibile con membrana a scambio protonico a bassa-temperatura (PEMFC) negli UAV deriva da rigorosi vincoli di peso e spazio [28]. Santos [29] e Boukoberine et al. [30] hanno utilizzato dati di test di volo reali per sviluppare strategie di progettazione e formulazione per UAV multirotore alimentati da celle a combustibile- con richieste di potenza di circa 300 W e 1400 W, rispettivamente. Lee et al. [31] ha sottolineato che il raffreddamento passivo ad aria, spesso utilizzato nei dispositivi PEMFC su piccola-scala con requisiti di potenza da 1 a 2 kW, comporta l'aspirazione e la distribuzione sia dell'aria reagente che di quella refrigerante in tutto lo stack, utilizzando le stesse ventole. Intelligent Energy Ltd. [32] afferma di fornire sistemi di alimentazione con celle a combustibile raffreddate ad aria-per UAV con una richiesta di potenza nominale di 4,8 kW. Da quanto sopra, si può dimostrare che l'adozione di uno stack raffreddato-passivo a respirazione libera- è fattibile perché le celle a combustibile con potenze comprese tra 0 e 4,8 kW sono generalmente dotate di ventole che forniscono il flusso d'aria necessario per il raffreddamento e la reazione.

Sebbene le celle a combustibile presentino vantaggi in termini di densità energetica, la loro manovrabilità è ostacolata dalla densità di potenza relativamente bassa, dai lunghi ritardi e dalle risposte lente [33]. Al contrario, le batterie al litio, che potenzialmente non hanno capacità a lungo-raggio, possono fornire una potenza in uscita maggiore, fornendo capacità di risposta dinamica migliorate, in particolare durante i transitori ad alta-potenza come quando un UAV passa rapidamente dalle fasi di crociera a quelle di volo stazionario o di discesa [34]. Pertanto, in tali scenari, la combinazione di batterie al litio con celle a combustibile per formare sistemi di propulsione ibridi è una strategia fattibile per ottenere elevate densità di energia e potenza negli UAV [35]. Strategie efficaci di gestione dell'energia contribuiscono ulteriormente ad estendere la portata e la robustezza ambientale degli UAV alimentati da celle a combustibile ibride- [36,37]. Pertanto, per gli UAV a celle a combustibile a bassa-potenza, l'utilizzo di celle a combustibile-raffreddate ad aria mescolate con batterie al litio è una soluzione praticabile che bilancia la portata massima e il tempo di risposta.

Da quanto sopra, è chiaro che le celle a combustibile a idrogeno e l'economia a bassa-altitudine stanno diventando sempre più punti focali dell'attenzione globale. Le celle a combustibile a idrogeno, con la loro densità energetica superiore, stanno emergendo come soluzione per affrontare le carenze degli UAV alimentati da batterie al litio-e promuovere la decarbonizzazione nel settore dell'aviazione. Tuttavia, nonostante gli UAV alimentati da celle a combustibile-non abbiano durabilità nelle applicazioni pratiche, indicando che la densità energetica delle celle a combustibile è superiore a quella delle batterie al litio, la maggior parte della ricerca attuale si concentra sulle strategie di gestione dell'energia degli UAV alimentati da celle a combustibile-. Queste strategie utilizzano la domanda di energia in tempo reale-come input per ricavare schemi di allocazione dell'energia per diverse fonti di energia utilizzando algoritmi. Ciò non è sostanzialmente diverso dalla ricerca sulla strategia di gestione dell'energia precedentemente condotta dal nostro team sui veicoli alimentati a celle a combustibile-[38,39]. A causa dell’assenza di accessori complessi, le batterie al litio spesso presentano vantaggi entro intervalli di potenza più piccoli. Attualmente, la letteratura sulla soglia oltre la quale i sistemi di propulsione ibrida a celle a combustibile superano i sistemi di propulsione a batteria al litio è scarsa.

In questo studio vengono affrontate due questioni che sono state spesso trascurate negli studi precedenti sugli UAV alimentati a celle a combustibile-. Innanzitutto, per modelli e profili di volo specifici, è stato proposto un metodo per calcolare le condizioni al contorno per la sostituzione dei sistemi di propulsione a batterie al litio con sistemi di propulsione ibridi a celle a combustibile, determinando l’intervallo entro il quale le celle a combustibile sono più appropriate per le applicazioni UAV. In secondo luogo, vengono analizzati gli aspetti unici degli scenari applicativi degli UAV a celle a combustibile; particolarmente importante è il loro impatto sul lato della domanda di energia.

Un prerequisito per formulare strategie di gestione dell'energia utilizzando la domanda di energia in tempo reale-come input è comprendere le variazioni nella domanda e nell'offerta di energia per gli UAV in diversi ambienti, che sono condizioni al contorno per il processo di formulazione della strategia. Nelle applicazioni pratiche, gli UAV che operano ad alta quota richiedono tipicamente più energia per mantenere un volo stabile a causa dei cambiamenti nella temperatura ambientale e nella densità dell’aria [40]. Inoltre, l’impatto dei cambiamenti di altitudine sul raffreddamento delle celle a combustibile richiede ulteriore attenzione [41]. Ozbek et al. [42] ha sottolineato la necessità di considerare contemporaneamente i requisiti di potenza dell'UAV e le variazioni di temperatura per garantirne il coordinamento. Il sistema di celle a combustibile si trova all'interno della fusoliera dell'UAV, aspirando direttamente l'aria ambiente dall'esterno, che è direttamente influenzata da fattori ambientali esterni. Da un lato, una diminuzione della densità dell’aria porta ad un aumento della richiesta di energia degli UAV, con conseguente maggiore scarico di calore dallo stack di celle a combustibile. Allo stesso tempo, la velocità di dissipazione del calore dello stack di celle a combustibile può variare con i cambiamenti ambientali e l’aria rarefatta riduce il coefficiente di trasferimento del calore convettivo. Tuttavia, una diminuzione della temperatura esterna aumenta la differenza di temperatura tra camino e ambiente, il che aiuta a migliorare lo scambio di calore tra camino e ambiente.

Questo articolo ha limitato l'oggetto della ricerca agli UAV esacotteri con un peso massimo al decollo-(MTOW) di 25 kg ed ha esplorato l'impatto dell'altitudine sugli UAV alimentati da celle a combustibile-. Nella formulazione delle strategie di gestione dell’energia, l’approccio adottato è stato quello di massimizzare la resa del sistema di propulsione a celle a combustibile consentendo alle batterie al litio di rispondere rapidamente alle richieste di energia piuttosto che progettare strategie per utilizzare tutta l’energia disponibile o massimizzare l’autonomia. Attraverso una revisione della letteratura, la modellazione Simulink e la simulazione ANSYS, questo studio mira a chiarire l'intervallo entro il quale l'utilizzo di celle a combustibile negli UAV è una scelta più economica, comprendere i limiti massimi di volo degli UAV alimentati a celle a combustibile-con masse diverse, cogliere le sfide che gli scenari applicativi unici pongono per gli UAV alimentati a celle a combustibile-e identificare possibili soluzioni.

Il resto di questo documento è organizzato come segue. Le sezioni 2 Metodi per modellare la domanda di energia dell'UAV, 3 Metodi per progettare e abbinare il sistema di propulsione, 4 Metodo per calcolare il rapporto stechiometrico dell'aria per la dissipazione del calore, presentano metodi per calcolare la domanda di energia dell'UAV, abbinare i sistemi di propulsione di UAV alimentati da celle a combustibile- e calcolare il flusso d'aria richiesto per il raffreddamento delle celle a combustibile. I risultati della simulazione sono discussi nella Sezione 5. Infine, una discussione e le conclusioni sono presentate nella Sezione 6.