Fuel cell - powered adaptation of a light helicopter design and environmental impact analysis

Abstract

[ES] Utilizando la tecnología cada vez más popular y en constante crecimiento de las pilas de combustible basadas en hidrógeno, dadas sus ventajas ambientales sobre los combustibles fósiles. Más concretamente, partiendo de un diseño previamente calculado y basado en estadísticas de un helicóptero ligero de uso civil con capacidad para dos pasajeros, el nuevo sistema de potencia ha sido dimensionado y optimizado iterativamente para diferentes aplicaciones: desde urbanas hasta interurbanas. desplazamientos urbanos a operaciones no tripuladas.

Esta metodología iterativa se llevó a cabo con base en los antecedentes teóricos para el diseño aerodinámico de helicópteros, obteniendo aproximaciones de potencia de crucero y de ascenso/descenso, así como el combustible requerido para completar la misión teniendo en cuenta el estado del arte actual de la tecnología involucrada. En el desarrollo de la versión readaptada, el enfoque se centró en el nuevo sistema de potencia, incluyendo cuidadosas consideraciones sobre el rendimiento de sus componentes mediante el uso de simulaciones dinámicas del sistema de pila de combustible a diferentes altitudes basadas en la optimización del sistema de tratamiento del aire y potencia de elementos auxiliares, así como la optimización aerodinámica del sistema de almacenamiento de combustible. Además, se desarrollaron consideraciones basadas en el trabajo de autores anteriores sobre aerodinámica, materiales y distribución del espacio con el fin de maximizar el potencial y dejar espacio para los siguientes pasos en términos de mejora a través de estudios más específicos.

Finalmente, se realizó una evaluación del ciclo de vida (L.C.A.), estudiando el impacto ambiental del diseño en comparación con su predecesor y aprovechando la oportunidad para discutir el estado actual de la producción de hidrógeno, así como los desafíos futuros relacionados con esta tecnología.

[EN] Using the increasingly popular and evergrowing technology of hydrogen based fuel cells, given their environmental advantages over fossil fuels, and starting from a previously calculated, statistically-based design of a light helicopter for civil use, the aircraft has been recalculated including the new power system, iteratively dimensioned and optimized for different applications: from urban and inter-urban commutes to unmanned operations.

This iterative methodology was carried out obtaining approximations of cruise and ascending/descending power, as well as the fuel required to complete the mission accounting for the current state of the art of the involved technology. In the development of the adapted version, focus was centered on the new power system, including careful considerations about the performance of its components by using dynamic simulations of the fuel cell system based on air usage optimization as well as considering the aerodynamic effect of exterior hydrogen tanks. Additionally, future design considerations were suggested based on the work of previous authors involving aerodynamics, materials and space distribution in order to both maximize the potential and leave room for the next steps in terms of improvement through more specific studies.

To conclude, a life-cycle assessment (L.C.A.) was performed, studying the environmental impact of the designs compared to their predecessor and use the opportunity to discuss the current state of hydrogen production, as well as future challenges related with this technology.