Optimización del sistema propulsivo de pila de combustible de hidrógeno de un dron según los requerimientos de la misión

Abstract

[ES] En este trabajo se pretende realizar un estudio de optimización de un dron mediante pila de combustible de hidrógeno para diferentes misiones propuestas. Para ello, se ha realizado un estudio que comprenda una base teórica importante y una optimización de la tecnología adecuada a las características. Primero de todo, se ha evaluado el empleo del hidrógeno en la tecnología propuesta, comentando sus ventajas y obstáculos a solventar en cuanto al almacenamiento y transporte. Luego, se ha explicado el funcionamiento de la pila de combustible, las distintas variedades y su viabilidad tecnológica, comparando cada una de las opciones disponibles para posteriormente escoger aquella tecnología que mejor se adapte a los requerimientos de optimización y a su viabilidad de aplicación a misiones de este tipo.

Tras los fundamentos teóricos, se ha continuado con el estudio en sí, explicando primero la metodología que se ha llevado a cabo en el mismo, además de conocer adecuadamente cada una de las misiones propuestas (vigilancia forestal, vigilancia marítima y transporte médico). Cada una de estas tres misiones disponen de condiciones iniciales diferentes, representando situaciones diferentes que requieren de soluciones propulsivas que difieren entre ellas. En el caso de la misión de transporte médico, tiene lugar entre Madrid y Mallorca, y necesita emplear la condición de vuelo de máximo alcance para lograr cumplir los requerimientos de la misión. Por otra parte, las misiones de vigilancia marítima y forestal requieren de la condición de máxima autonomía para su cumplimiento. Esto se debe a que ambas misiones necesitan cumplir el mínimo combustible manteniendo el nivel de vuelo propuesto a la velocidad mínima posible. La diferencia entre ambas radica en que la misión de vigilancia forestal se realiza en Asturias, por lo que el perfil del terreno es montañoso, mientras que la misión de vigilancia marítima se ejecuta en el Estrecho de GIbraltar, siempre por encima del mar, por lo que el perfil del terreno es simple.

Luego, se han expuesto los resultados obtenidos al respecto, analizando cada una de las misiones por separado para posteriormente compararlas y observar su aplicabilidad en la industria. Cabe destacar, entre todos los resultados conseguidos tras la realización de las simulaciones, que para la misión de transporte médico se consigue una pila de combustible de 40 kW de potencia con un consumo de 3.86 kg de hidrógeno, para la misión de vigilancia forestal se obtiene una pila de 80 kW y 5.35 kg de hidrógeno necesario. Por otra parte, para la misión de vigilancia marítima se dispone de una pila de combustible de 40 kW y 3.81 kg de hidrógeno consumido. Por último, se han expuesto las principales conclusiones obtenidas del estudio de optimización, enlazando con los objetivos propuestos en los primeros apartados y conseguir cerrar el trabajo de la manera más adecuada posible. Finalmente, se han descrito una serie de estudios futuros derivados de la realización de este estudio.

[EN] This work aims to carry out an optimization study of a drone using a hydrogen fuel cell for different proposed missions. To this end, a study has been carried out that includes an important theoretical base and an optimization of the technology to the study characteristics. First of all, the use of hydrogen in the proposed technology has been evaluated, commenting on its advantages and obstacles to be solved in terms of storage and transportation. Then, the operation of the fuel cell, the different varieties and their technological feasibility have been explained, comparing each of the available options to subsequently choose the technology that best adapts to the optimization requirements and its feasibility of application to this type of missions.

After the theoretical foundations, we continued with the study itself, first explaining the methodology that has been carried out in it, in addition to adequately knowing each of the proposed missions (forest surveillance, maritime surveillance and medical transport). Each of these three missions have different initial conditions, representing different situations that require propulsive solutions that differ between them. In the case of the medical transport mission, it takes place between Madrid and Mallorca, and needs to use the maximum range flight condition to meet the mission requirements. On the other hand, maritime and forest surveillance missions require the condition of maximum autonomy for their fulfillment. This is because both missions need to meet the minimum fuel requirement while maintaining the proposed flight level at the minimum possible speed. The difference between the two is that the forest surveillance mission is carried out in Asturias, so the terrain profile is mountainous, while the maritime surveillance mission is carried out in the Strait of Gibraltar, always above the sea, so that the terrain profile is simple.

Then, the results obtained in this regard have been presented, analyzing each of the missions separately to later compare them and observe their applicability in the industry. It is worth highlighting, among all the results achieved after carrying out the simulations, that for the medical transport mission a fuel cell of 80 kW power is achieved with a consumption of 4 kg of hydrogen, for the forest surveillance mission it is obtained an 80 kW battery and 5.39 kg of hydrogen required. On the other hand, for the maritime surveillance mission there is a 40 kW fuel cell and 3.88 kg of hydrogen consumed. Finally, the main conclusions obtained from the optimization study have been presented, linking with the objectives proposed in the first sections and closing the work in the most appropriate way possible. Finally, a series of future studies derived from carrying out this study have been described.

[CA] En aquest treball es pretén realitzar un estudi d’optimització d’un dron mitjançant pila de combustible d’hidrogen per a diferents missions proposades. Per a això, s’ha realitzat un estudi que comprenga una base teòrica important i una optimització de la tecnologia adequada a les característiques. Primer de tot, s’ha avaluat l’ús de l’hidrogen en la tecnologia proposada, comentant els seus avantatges i obstacles a solucionar quant a l’emmagatzematge i transport. Després, s’ha explicat el funcionament de la pila de combustible, les diferents varietats i la seua viabilitat tecnològica, comparant cadascuna de les opcions disponibles per a posteriorment triar aquella tecnologia que millor s’adapte als requeriments d’optimització i a la seua viabilitat d’aplicació a missions d’aquest tipus.

Després dels fonaments teòrics, s’ha continuat amb l’estudi en si, explicant primer la metodologia que s’ha dut a terme en aquest, a més de conéixer adequadament cadascuna de les missions proposades (vigilància forestal, vigilància marítima i transport mèdic). Cadascuna d’aquestes tres missions disposen de condicions inicials diferents, representant situacions diferents que requerixen de solucions propulsives que diferixen entre elles. En el cas de la missió de transport mèdic, té lloc entre Madrid i Mallorca, i necessita emprar la condició de vol de màxim abast per a aconseguir complir els requeriments de la missió. D’altra banda, les missions de vigilància marítima i forestal requerixen de la condició de màxima autonomia per al seu compliment. Això es deu al fet que totes dues missions necessiten complir el mínim combustible mantenint el nivell de vol proposat a la velocitat mínima possible. La diferència entre ambdues radica en el fet que la missió de vigilància forestal es realitza a Astúries, per la qual cosa el perfil del terreny és muntanyenc, mentre que la missió de vigilància marítima s’executa en l’Estret de Gibraltar, sempre per damunt de la mar, per la qual cosa el perfil del terreny és simple.

Després, s’han exposat els resultats obtinguts sobre aquest tema, analitzant cadascuna de les missions per separat per a posteriorment comparar-les i observar la seua aplicabilitat en la indústria. Cal destacar, entre tots els resultats aconseguits després de la realització de les simulacions, que per a la missió de transport mèdic s’aconseguix una pila de combustible de 40 kW de potència amb un consum de 3,86 kg d’hidrogen, per a la missió de vigilància forestal s’obté una pila de 80 kW i 5,35 kg d’hidrogen necessari. D’altra banda, per a la missió de vigilància marítima es disposa d’una pila de combustible de 40 kW i 3,81 kg d’hidrogen consumit. Finalment, s’han exposat les principals conclusions obtingudes de l’estudi d’optimització, enllaçant amb els objectius proposats en els primers apartats i aconseguint tancar el treball de la manera més adequada possible. Finalment, s’han descrit una sèrie d’estudis futurs derivats de la realització d’aquest estudi.