3D Printed Autonomous Solar Catamaran

Abstract

[ES] La creciente escasez energética, la sostenibilidad y la tecnología son factores clave en las políticas energéticas globales del futuro. La energía solar es por ello una gran solución para la generación de energía limpia. A su vez, el Hidrógeno tiene un gran potencial para convertirse en el combustible sostenible del futuro. La combinación de la captura de energía solar y el almacenamiento de hidrógeno como fuente de energía están convirtiéndose en la alternativa más prometedora para una descarbonización energética, renovable y transportable.

El objetivo de esta tesina de máster es ofrecer una propuesta inspiradora para la sostenibilidad en la movilidad marítima. Consistirá principalmente en el diseño y ejecución de un prototipo de catamarán solar completamente autónomo. Utilizando un sistema fotovoltaico para generar electricidad que pueda ser consumida directamente o almacenada en forma de hidrógeno para poder navegar en condiciones de escasez lumínica.

Ambas fuentes energéticas, solar y de hidrógeno han sido exhaustivamente exploradas. Las tecnologías seleccionadas para convertir y almacenar energía en forma de hidrógeno, han sido la electrólisis y la célula de combustible, combinadas con el almacenamiento del hidrógeno generado bajo presión.

Inspirado en el Alinghi 5, un antiguo catamarán de carreras, se diseñará un modelo en 3D. Utilizando como herramienta la fabricación aditiva se procederá a fabricar un modelo de catamarán donde verificar a escala la propuesta integrada.

Partiendo de un panel solar de última generación, unido a una célula de hidrógeno y un sistema de dirección remoto, se ha diseñado una versión a escala del catamarán prototipo, inspirada en el Alinghi. Se diseñó un sistema eléctrico auxiliar para poder cambiar la fuente de alimentación, seguida de una evaluación operacional de desempeño en diferentes modos y tiempos de navegación, a fin de establecer unas recomendaciones para la transición óptima entre los distintos modos de navegación. Los materiales aparatos y tecnologías seleccionados para este propósito fueron caracterizados para comprobar y dimensionar su comportamiento, con vistas a seleccionar las condiciones óptimas de operación y determinar sus limitaciones.

Los resultados de este proyecto pretenden demostrar la viabilidad del desarrollo de nuevas propuestas para la movilidad marítima sostenible como un primer paso para la eliminación de los combustibles fósiles en la navegación. Podría inspirar una visión futura de las tecnologías en el sector autónomo marítimo.

[EN] Increasing energy shortages, maintainability and technology are key factors in upcoming global energy policies. Solar energy is therefore a great solution for generating clean energy. Also, Hydrogen has the potential to be the sustainable fuel of the future. Combining solar energy capture and hydrogen as storage and fuel source proves to be an interesting method for renewable, transportable, and decarbonized energy.

The aim of this master's thesis is to make an inspiring proposal for sustainable maritime mobility. It will consist of designing and executing a fully autonomous solar catamaran prototype. A photovoltaic system is used to generate electrical energy that can be used directly and/or stored in the form of hydrogen to be able to navigate in conditions of absence of light.

Both solar and hydrogen energies were thoroughly explored. Technologies used for converting and storing energy in hydrogen form are electrolysis and fuel cell technology, in combination with the method of the compressed gas storage.

Inspired by the Alinghi 5, a former race catamaran, a 3D model will be designed. Additive manufacturing was the chosen method to manufacture the model catamaran.

The solar panel, the hydrogen parts and a remote-controlled steering system were fitted into the 3D printed catamaran. An electric system was designed to change power source, followed by an operational performance evaluation of the sailing times in the different modes, resulting in advice for the optimal transition of sailing modes. The selected materials, devices and technologies chosen for this purpose were tested in order to fully characterise their behaviour, to assess their optimal operating condition and to find their limitations.

The results of this project intend to demonstrate the viability of developing a new proposal for fully sustainable maritime mobility as a first step in eliminating fossil fuels in navigation. It might inspire the future vision on the technologies in the autonomous maritime sector.