martes, 3 de diciembre de 2024

¿Hidrógeno o baterías? La gran batalla por la energía de los drones

   
    ¿Imaginas un mundo donde los drones puedan volar durante días sin necesidad de recargarse? Esta ha sido una pregunta que se han hecho un grupo de investigadores españoles a la cual han intentado responder mediante una investigación [1], pero antes de saber la conclusión que han obtenido y qué tipo de aporte de energía es mejor para estos sistemas, hemos de conocer bien con qué han trabajado para este estudio.

     Los sistemas de aeronaves no tripuladas (UAS) [2], como pueden ser drones o pequeños helicópteros son cada vez más comunes y necesarios, tanto para el tema industrial como para la seguridad, empleándolos para vigilancia o incluso en rescates. Estas UAS necesitan un sistema que les permita una suficiente autonomía para desarrollar su función de manera óptima y adecuada a cada situación en el que se use.


Figura 1: Sistema de aeronave no tripulada [3]

Algo fundamental de estos sistemas es su pequeño tamaño y su peso, que cuanto menor sea, menor aporte de energía se ha de utilizar para el movimiento de este. Debido a su reducido tamaño, la fuente de energía tiene que ir acorde a las dimensiones del sistema. ¿Y qué utilizan estos sistemas para la obtención de energía?

Como fuente de energía para las UAS se suele utilizar las baterías de ion-litio [4], que aunque funcionen adecuadamente tienen dos grandes inconvenientes para su trabajo. Estas desventajas son la baja autonomía que tienen en estos sistemas además de la gran reducción de carga tanto en el despegue como en el aterrizaje, situaciones donde más energía requiere el UAS.

Una de las grandes incógnitas es de qué forma se puede llegar a mejorar el rendimiento de las baterías de estos complejos sistemas, tanto para aumentar su duración como para su mejor rendimiento y su menor descarga en despegues y aterrizajes. Como posible solución está la integración de una pila de combustible de hidrógeno [5] a las baterías de ion-litio ya implantadas. Esto ofrece unas grandes ventajas en las baterías para estos sistemas que además de no emitir contaminantes, las pilas de hidrógeno implementadas proporcionan una respuesta lenta suministrando energía de manera constante durante el vuelo, incrementando la autonomía de la batería y al mantenerse las baterías de ion-litio, se mantiene la rápida respuesta que tienen ante picos donde se requiere una alta energía que como anteriormente se ha nombrado son el despegue o el aterrizaje junto con la situación de posibles turbulencias durante el vuelo. Además se necesita un convertidor de potencia que se encarga de gestionar la transferencia de energía entre ambos elementos y los motores del dron.


Video 1: ¿Qué son las pilas de combustible? [6]

Para dar solución a este problema se han juntado Raúl Marqués, Álvaro Montero, Carlos Sánchez-Diaz e Israel Quintanilla de la Universitat Politècnica de València quienes han creado una metodología de diseño y un análisis de simulación para sistemas híbridos con pilas de combustible y baterías para este tipo de sistemas no tripulados.


Figura 2: Investigadores Carlos Sánchez-Diaz, Álvaro Montero e Israel Quintanilla [7-9]

Para ver el diseño y funcionamiento de este sistema híbrido, los investigadores en primer lugar crearon un modelo para la representación de la pila, la batería y un convertidor que gestiona el funcionamiento y su energía entre ambos. Tras esto, se realizó un estudio de las necesidades que un dron comercial tiene para su uso, un estudio de la energía empleada para su despegue, su vuelo y aterrizaje, tanto sin peso útil como con peso añadido. Complementando al estudio anterior, también se realizaron simulaciones en las que se obtuvieron las curvas de demanda donde se mostraban las variaciones de corriente y voltaje en las diferentes estancias del vuelo.



Gráfica 1 y 2: Curvas de demanda de energía durante el vuelo [1]

Una vez se obtuvieron los datos consecuentes al uso de energía del UAS, se insertaron los datos en TRNSYS [10], un programa que simula el comportamiento del sistema híbrido entre la batería de ion-litio y la pila de combustible, con la idea de comprobar si juntas podían aportar la suficiente energía al dron durante todo el vuelo.

Como conclusión de la investigación cabe destacar la importancia de que la batería tuviese siempre una carga mayor al 20% tras el aterrizaje ya que así se conseguía evitar un fallo en la pila de combustible en el sistema de hidrógeno. Además, es importante tener en cuenta las posibles turbulencias que pueda haber ya que debido a estas se requeriría el uso de la batería. Por el contrario si no existiesen turbulencias durante el vuelo, el estado de carga de la batería sería del 99% en la mayoría de los casos. Otra conclusión a la que se llegó para el futuro diseño del sistema es el control del voltaje de la batería, el voltaje de la celda y la respuesta que haya entre la celda de combustible y los estados de carga de la batería y el tanque de hidrógeno.

Con vistas al futuro, esto abre una gran puerta al uso continuado durante un largo periodo de tiempo en labores vigilancia como de rescate ya que durante estos últimos años están teniendo una gran relevancia en estos aspectos ya que pueden entrar en lugares donde una persona no podría además de que su complementación con cámaras, cámaras térmicas que son capaces de abarcar un gran radio y poder detectar incluso el calor de personas desaparecidas. Por lo que su investigación será muy necesaria para un futuro cercano.

Lola Del Olmo Jurado
Javier Heredia Cerro
Estudiantes grado de Química 4º curso (UCO)

Bibliografía y referencias

[1] Artículo de investigación: Marqués, R., Montero, Á., Sánchez-Diaz, C., & Quintanilla, I. (2024). Design methodology and simulation analysis of hybrid fuel cell and battery systems for powering unmanned aircraft systems. Energy Conversion and Management, 306, 118303.
(Fecha de acceso 03/12/2024)


[3] Figura 1. Sistema de aeronave no tripulada: https://www.dronesmalaga.net/baterias-para-drones/ (Fecha de acceso 03/12/2024)

[4] Información extra sobre baterías ion-litio:

[5] Información detallada sobre pilas de combustible de hidrógeno: 
https://www.cnh2.es/pilas-de-combustible/  (Fecha de acceso 03/12/2024)

[6] Video 1. ¿Qué son las pilas de combustible? https://www.youtube.com/watch?v=h9CDUcjUjxc (Fecha de acceso 18/12/2024)




[10] Página del programa TRNSYS: https://www.trnsys.com/ (Fecha de acceso 03/12/2024)

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