La resistencia a la batería es un cuello de botella para la tecnología de drones. ¿Podría el hidrógeno ofrecer una solución? Dronelife tiene el honor de publicar esta publicación invitada de DR, Neel Sirosh, CTO en H2MOF: un proveedor de soluciones de almacenamiento de hidrógeno seguras y eficientes. Dronelife no acepta ni realiza el pago de las publicaciones de invitados.
Superar el cuello de botella de almacenamiento de energía de la industria de la industria UAV
Escrito por el Dr. Neel Sirosh, CTO en H2MOF
Imagine un dron que se eleva por encima de un vasto paisaje remoto, sus sensores que capturan datos críticos para el monitoreo o la inspección ambiental/infraestructura de una zona de desastre. La misión es crítica, y cada segundo de la transmisión de datos cuenta. Sin embargo, a medida que el dron se acerca a una fase crítica de la misión, comienza la cuenta regresiva para aterrizar, con solo minutos restantes antes de que regrese a la base para una larga recarga. Este escenario se desarrolla todos los días en las industrias que dependen de UAV, donde el almacenamiento de energía es el héroe no reconocido, y sin embargo, el vínculo más débil en la búsqueda de la industria de «Levantamiento de largo alcance y pesado».
La industria de UAV está experimentando un rápido crecimiento, pero su progreso está cada vez más limitado por las limitaciones de las tecnologías actuales de almacenamiento de energía. La gran mayoría de los drones hoy dependen de las baterías de iones de litio o polímero de litio, que imponen limitaciones a la resistencia de vuelo, la capacidad de carga útil y la eficiencia operativa. La mayoría de los UAV con batería están restringidos a tiempos de vuelo de menos de 60 minutos, y muchos logran tan solo 10 minutos cuando llevan cargas útiles más pesadas. Si bien los UAV VTOL de ala fija pueden extender su resistencia, las mejoras siguen siendo modestas a menos que se despliegen motores de combustión interna, un enfoque comúnmente visto en el sector militar pero menos práctico para las aplicaciones comerciales e industriales.
Los tiempos de recarga de la batería, que generalmente varían de 60 a 90 minutos, interrumpen aún más las operaciones de UAV. Si bien el intercambio de baterías mitiga parte de este tiempo de inactividad, requiere llevar un inventario de baterías adicionales y mantener una fuente de energía para la recarga remota, a menudo requerir generadores diesel en el campo, agregar complejidad logística y aumentar los costos operativos. Además, las baterías a base de litio se degradan con el tiempo, lo que limita su vida útil a un número finito de ciclos de carga antes de requerir el reemplazo. Esto agrega costos recurrentes y cargas de mantenimiento a las flotas de UAV, lo que restringe aún más la escalabilidad. Además, el peso de la batería compite directamente con la capacidad de carga útil, lo que obliga a los operadores a hacer compensaciones entre la resistencia y la capacidad de transportar equipos o carga de misión crítica.
Las celdas de combustible de hidrógeno se han convertido en una alternativa prometedora, que ofrece una densidad de energía muy superior, reabastecimiento de combustible rápido e impacto ambiental más bajo en comparación con los sistemas de baterías tradicionales. Sin embargo, los métodos de almacenamiento de hidrógeno existentes, ya sean buques de alta presión o criogénicos, introducen complejidades en la arquitectura del sistema, las operaciones de vuelo y la logística de suministro de combustible que afectan su viabilidad para los UAV. La industria ha buscado durante mucho tiempo una solución de almacenamiento de hidrógeno que sea segura, liviana, eficiente y escalable para aplicaciones UAV.
La necesidad de tecnología de almacenamiento de hidrógeno transformador
A pesar de las ventajas superiores de las celdas de combustible de hidrógeno, su adopción generalizada en UAV se ha visto obstaculizada por los desafíos fundamentales del almacenamiento de hidrógeno. Los métodos existentes de almacenamiento de hidrógeno (hidrógeno comprimido, hidrógeno líquido e hidruros químicos o metálicos) presentan compensaciones significativas en eficiencia, costo y practicidad para las aplicaciones UAV.
- Hidrógeno comprimido: mientras una tecnología madura, el hidrógeno comprimido sufre de eficiencia volumétrica relativamente pobre incluso a altas presiones (700 bar). La necesidad de compresión de varias etapas e infraestructura compleja aumenta tanto el gasto de capital (CAPEX) como el gasto operativo (OPEX), con el proceso de compresión que consume aproximadamente el 15% de la energía almacenada. Los sistemas de hidrógeno de alta presión continúan enfrentando desafíos regulatorios y jurisdiccionales también.
- Hidrógeno líquido: aunque ofrece una alta eficiencia volumétrica, el almacenamiento de hidrógeno líquido requiere procesos de licuefacción intensivos en energía, que consume casi el 40% de la energía almacenada. La infraestructura necesaria para las plantas de licuefacción es costosa y solo justificable a grandes escamas. Las pérdidas significativas debido a la ebullición y durante la transferencia de combustible continúan siendo los grandes inconvenientes.
- Hidruros químicos y metálicos: estas soluciones de almacenamiento proporcionan una alta eficiencia volumétrica, pero las tasas lentas de liberación de hidrógeno introducen limitaciones operativas. Además, se requieren cantidades sustanciales de calor (hasta 300 ° C) para liberar hidrógeno almacenado, aumentando aún más el consumo de energía y reduciendo la eficiencia general. Además, su peso excesivo los hace poco prácticos para las aplicaciones UAV, donde la capacidad de carga útil es más crítica.
Para desbloquear completamente el potencial de hidrógeno en la industria de UAV, se necesita una tecnología de almacenamiento de hidrógeno transformador, una que ofrece una mayor densidad de energía, menor peso, reabastecimiento de combustible rápido y seguridad operativa sin los inconvenientes de las soluciones actuales.
Almacenamiento de hidrógeno en estado sólido basado en materiales reticulares
Un avance en el almacenamiento de hidrógeno utilizando materiales reticulares nanogineados está revolucionando la forma en que los UAV almacenan y utiliza hidrógeno. Este enfoque innovador permite el almacenamiento de hidrógeno de estado sólido seguro, compacto y eficiente a bajas presiones y temperaturas casi ambientales, eliminando la necesidad de una costosa compresión de varias etapas y licuefacción criogénica.
A diferencia de las soluciones tradicionales de almacenamiento de hidrógeno, que se basan en estructuras de contención pesadas o procesos intensivos en energía, los sistemas de almacenamiento basados en materiales reticulares ofrecen eficiencia gravimétrica y volumétrica superior. Estos materiales innovadores tienen el potencial de exceder los objetivos del sistema del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), logrando eficiencias gravimétricas muy por encima del 5,5% en peso y eficiencias volumétricas superiores a 40 g/L. Esto se traduce en una mejora de casi el 30% en la eficiencia gravimétrica y hasta el doble de la eficiencia volumétrica de los tanques de hidrógeno convencionales de 700 barras. El resultado para las aplicaciones UAV son los tiempos de vuelo extendidos significativamente y una mayor capacidad de carga útil, abordando las limitaciones clave de los métodos actuales de almacenamiento de energía UAV.
La capacidad de configurar estos sistemas de almacenamiento para la adsorción y liberación rápida de hidrógeno garantiza que los UAV reciban combustible de hidrógeno a pedido para satisfacer diversas necesidades operativas. El almacenamiento de estado sólido de baja presión también permite formas no tradicionales y conformables, mejorando la eficiencia del envasado y la aerodinámica. Esta flexibilidad permite a los fabricantes de UAV optimizar el diseño de la aeronave tanto para la resistencia como para la carga útil, para satisfacer las demandas de los clientes de «elevación de largo alcance y pesado». Una eficiencia gravimétrica más alta se traduce directamente en una mayor capacidad de carga útil, lo que permite a los drones transportar equipos o equipos de transmisión o carga de datos más pesados sin comprometer la duración del vuelo.
Más allá de las mejoras de rendimiento, el almacenamiento de hidrógeno en estado sólido basado en materiales reticulares también ofrece importantes ventajas de costos y escalabilidad. Al reducir los costos de suministro de hidrógeno en un 50% en comparación con los sistemas de almacenamiento convencionales de 200-500 bares y casi el 80% versus la licuefacción y el transporte criogénico, esta tecnología hace que las operaciones UAV con hidrógeno sean más económicamente viables. Además, la eliminación de compresión de alta presión o almacenamiento criogénico simplifica los requisitos de infraestructura, reduciendo el costo y la complejidad del despliegue de hidrógeno. Operar a bajas presiones y temperaturas casi ambientales también simplifica los obstáculos regulatorios y de cumplimiento, lo que hace que la integración en los sistemas UAV sea más fácil y más práctico.
Con configuraciones escalables que van desde 100 gramos a 40 kg de capacidad de hidrógeno, el almacenamiento de hidrógeno en estado sólido basado en materiales reticulares se puede adaptar a varios requisitos de la misión UAV. Ya sea a través de cartuchos de gas portátiles o subsistemas de almacenamiento integrados, este método de almacenamiento avanzado ayudará a romper el cuello de botella de almacenamiento de energía UAV, extender las duraciones de los vuelos y mejorar las eficiencias operativas en aplicaciones comerciales, industriales y de defensa.
Redefinir el futuro de los sistemas de energía UAV
La introducción de UAV con hidrógeno representa una transformación fundamental en la industria, proporcionando la próxima generación de sistemas aéreos con resistencia, agilidad y capacidad de carga útil sin precedentes. A medida que la tecnología de almacenamiento de hidrógeno en estado sólido basada en materiales reticulares continúa madurando, los fabricantes y operadores de UAV podrán capitalizar sus ventajas para impulsar los límites de lo que es posible en aplicaciones de drones.
Desbloquear todo el potencial de los UAV requiere liberarse de las limitaciones de la tecnología de batería tradicional. Al aprovechar el poder de los materiales reticulares nanogineados, se están abordando las limitaciones del almacenamiento de hidrógeno, allanando el camino para un futuro donde los UAV pueden operar más tiempo, llevar más y funcionar con mayor seguridad y confiabilidad que nunca antes.
Para los arquitectos, fabricantes y operadores de sistemas UAV que buscan integrar soluciones de energía de próxima generación, el tiempo para explorar el almacenamiento de hidrógeno en estado sólido es ahora. Ya sea en la logística comercial, las operaciones de defensa o el monitoreo ambiental/infraestructura, esta tecnología innovadora será fundamental para dar forma al futuro del rendimiento de UAV.
Dr. Neel Sirosh, CTO de H2MOFes un experto en sistemas de hidrógeno con más de 25 años de experiencia en I + D de energía limpia, desarrollo de productos y comercialización. Ha dirigido un trabajo innovador en tecnologías de almacenamiento de hidrógeno para organizaciones como Daimler, Toyota, NASA e Hydrogen Universal, y anteriormente sirvió como CTO en Quantum Technologies e Hydria/Catec Gases. Tiene numerosas patentes, ha publicado ampliamente sobre el almacenamiento de hidrógeno y ha ayudado a dar forma a los estándares internacionales de hidrógeno. El Dr. Sirosh obtuvo un doctorado en ingeniería de la Universidad de Calgary y un MBA ejecutivo de UC Irvine.
Miriam McNabb es la editora en jefe de Dronelife y CEO de Jobfordrones, un mercado profesional de servicios de drones y un observador fascinado de la industria de drones emergentes y el entorno regulatorio para los drones. Miriam ha escrito más de 3.000 artículos centrados en el espacio comercial de drones y es una oradora internacional y una cifra reconocida en la industria. Miriam tiene un título de la Universidad de Chicago y más de 20 años de experiencia en ventas y marketing de alta tecnología para nuevas tecnologías.
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