INSTITUTO NACIONAL de TECNICA AEROESPACIAL

APLICACIONES AERONÁUTICAS DE LAS PILAS

DE COMBUSTIBLE

M. Pilar Argumosa Martínez

Aplicaciones Aeronáuticas de las PC

Vehículos Aéreos no tripulados HALE Mini UAVsAviación Civil GeneralAviación Civil Comercial

Vehículos Aéreos no tripulados

HALE_High Altitude Long Endurance

Aplicaciones Aeronáuticas de las PC

Requieren de sistemas regenerativos, los paneles solares producen energía

eléctrica que se utiliza en un electrolizador para producir

los gases reactantes, posteriormente la pila

produce la electricidad que requiere el sistema cuando

esta en sombra.

Aplicaciones Aeronáuticas de las PC

•2003: El “HELIOS” cayendo e impactando con el océano Pacífico

•Ref.: NASA Dryden Flight Research Center PhotoCollection

•23 Julio 2010: El “ZEPHYR” (Qinetic) aterriza con éxito tras 14 días de vuelo

en Yuma, AZ

•(336 horas y 21 minutos, lanzado el 9 de Julio de 2010)

•2009 El “ODYSSEUS” (Aurora FLightSciences). DARPA Prog VULTURE

•Ref.: www.aurora.aero

Aplicaciones Aeronáuticas de las PC

Vehículos Aéreos no tripulados

Pequeños UAVs

Aplicaciones Aeronáuticas de las PC

Densidad de energía:Las pilas de combustible ofrecen ventajas frente a las baterías:

• Baterías Li: ~ 200 Wh/kg• Pilas (inc. Tanques): ~ 500 Wh/kg

Densidad de potencia:Las pilas presentan menor densidad de potencia que las baterías:

• Baterías Li: ~ 3500 W/kg• Pilas (inc. Tanques): ~ 330 W/kg

La aplicación de pilas de combustible en UAVs se orienta a pequeños UAVsde vuelo lento en los que la demanda de potencia es baja y en donde pueden conseguir un claro aumento de la duración del vuelo.

Aplicaciones Aeronáuticas de las PC

HyFish (DLR, Horizon FC Tech., Team Smartfish GmbH)

Pterosoar (Oklahoma and California State Univ. Horizon FC Tech.)

H2 Endurance (Energy OR, Canada) Giorgia Institute of Technology

Aplicaciones Aeronáuticas de las PC

Ion Tigger (US Naval Research Lab.)

Spider Lion (NRL)

Puma (AeroVironment Inc.)

2015_EnergyOr Technologies Inc (Canada)2 h 12 m 46 sg

Aplicaciones Aeronáuticas de las PC

HORIZON FC ENERGY Or

Aplicaciones Aeronáuticas de las PC

Aviación Civil General

Aplicaciones Aeronáuticas de las PC

Punto clave: En general los sistemas de pilas de combustible tienen menor densidad de potencia que los motores de combustión interna.

Por tanto: A la hora de seleccionar un avión para integrar pilas de combustible y para evitar modificaciones importantes en su estructura será necesario:

Prototipos de aviones de Aviación General con Pilas de CombustibleConsideraciones Generales

Que el avión tenga suficiente carga de pago para poder alojar el peso adicional del sistema de pila de combustible.

Que la aerodinámica del avión esté lo más optimizada posible (si el avión pesa más necesita más sustentación, esto induce más resistencia y, por tanto, se necesitaría más empuje, lo cual implica nuevamente mayor peso).

La aerodinámica del avión debe permitir planear para tomar tierra, porque en caso de fallo de la propulsión esto aumenta sustancialmente la seguridad.

Aviación Civil General

Aplicaciones Aeronáuticas de las PC

FC Demonstrator (Boeing)

Marzo 2008, Madrid :• Primer vuelo de un avión tripulado con pila de combustible.• Sistema de pila de combustible usada en vuelo de crucero.• Energía para despegue y elevación suministrada por baterías de ión-Li

Aplicaciones Aeronáuticas de las PCAviación Civil General

Antares (DLR-H2)

• Julio 2009_Primer avión tripulado que completa todas las fases del vuelo propulsado por pila de combustible.

• 2012_ El sistema de propulsión es mejorado incorporando una pila de Hydrogenics. Laboratorio de ensayos en vuelo

Aplicaciones Aeronáuticas de las PCAviación Civil General

Compañía DLR BOEING

Avión Antares 20E Antares DLR-H2 HK 36 TC115 Superdimona FC Demonstrator

Velocidad máxima (km/h) --- 170 261 158

Peso en vacío (kg) 460 460 568 789

Peso máximo (kg) 660 750 770 860

Potencia Pila en continuo (kW) --- 20 --- 15

Potencia Pila máxima (kW) --- 25 --- 20 33

Potencia màxima del motor (kW) 42 42 85.8 75

Power load (W/N) 5.7 2.7 11.4 1.9

Power load hybrid system (W/N) --- --- --- 11.7

Aplicaciones Aeronáuticas de las PCAviación Civil General

ENFICA-FC (Univ. Torino) 2012Hydrogenius (Univ. Stutgart)

Aplicaciones Aeronáuticas de las PCAviación Civil General

HY4 DLR 2016

Aviación Civil Comercial

Aplicaciones Aeronáuticas de las PC

Aplicación de Pilas de Combustible en aviones de Aviación Comercial

Algunas ventajas e inconvenientes Debido a su baja densidad de potencia comparada con los

turborreactores, las pilas de combustible no son adecuadas para sustituirlos como sistema de propulsión.

La tendencia de la industria aeronáutica es hacia el avión más eléctrico en el que se sustituyen sistemas hidráulicos y neumáticos por sistemas eléctricos.

Las pilas de combustible son una buena solución para suministrar la creciente demanda de electricidad del avión tanto en vuelo como en tierra.

Aviación Civil Comercial

Aplicaciones Aeronáuticas de las PC

- 50%Emisiones

CO2

- 80%Emisiones

NOx

- 50%Consumo

Fuel

- 50%RuidoExterno

OBJETIVOS ACARE 2020

La Aviación comercial también busca soluciones

para reducir emisiones

Aplicaciones Aeronáuticas de las PCAviación Civil Comercial

El uso de Pilas de combustible es un camino para lograr bajas o nulas emisiones en muchas operaciones de aeronaves

Funciones• Potencia de

emergencia• Inertización (reducción de la

inflamabilidad)• Incremento Pot. Auxiliar

• Potencia para todas las cargas en tierra

• Producción de agua• Extinción de fuego

t

Airbus es el primer fabricante de aviones que:• Ha operado un sistema de PC con H2 y O2 a

bordo de un avión civil.• Ha realizado ensayos en vuelo.• Ha integrado el sistema de PC y H2 con el

sistema eléctrico e hidráulico del avión.• Ha planteado un sistema de PC como APU

para el A320 (2015)

Aplicaciones Aeronáuticas de las PCAviación Civil Comercial

Hay muchos equipos eléctricos donde el uso de pilas de combustible puede suponer mayor eficiencia y menores emisiones. Proyectos como el

Hycarus o el Flhysafe se enfrentan a cumplir los requisitos aeronáuticos con equipos de potencia basados en PC.

Aplicaciones Aeronáuticas de las PCAviación Civil Comercial

The project has received funding from theEuropean Union's Seventh FrameworkProgramme (FP7/2007-2013) for the Fuel Cellsand Hydrogen Joint Technology Initiative undergrant agreement n° 325342

HYCARUS está desarrollando un Sistema Genérico de Pila de Combustible (GFCS) para

proporcionar potencia a sistemas auxiliaries enaviación, como el galley de un avión commercial,

o para ser usado como Fuente de potenciasecundaria en un jet de negocios. Se realizarán

pruebas a bordo de una avión Falcon de Dassaultpara demostrar las “performances” de este GFCS en el ambiente de cabina, alcanzando un nivel

de desarrollo de TRL6

Aplicaciones Aeronáuticas de las PCAviación Civil Comercial

HYCARUS – Environmental Test Workshop–AET Contribution ZODIAC AEROTECHNICSPage 2 – February 24, 2015 All rights reserved. Confidential and proprietary document.

HYCARUS

Environmental Tests

AET / INTA / ALAT

Retos y Cuellos de Botella Desarrollar un sistema de pila de combustible, instalarlo en el ambiente de

cabina de una avión y obtener los permisos para el vuelo Demostrar el cumplimiento de los requisites de aeronavegabilidad Pasar satisfactoriamente todos los tests (funcionales y

ambienmtales) del GFCS Obtener el permiso de vuelo

Para obtener el permiso de vuelo elsistema complete tiene que cumplircon standares como el RTCA DO-160(conjunto de pruebas ambientales yprocedimientos de prueba paraequipos aerotransportados).

FUEL CELLS in the Aeronautical SectorAviación Civil Comercial

Environmental Tests.El propósito de estas pruebas es proporcionar un medio controlado deasegurar las características de funcionamiento de los equipos embarcadosen condiciones ambientales similares a las que se pueden encontrar envuelo. Esto incluye pruebas de temperature, altitud, emisiones deradiofrecuencia (EMC), vibraciones y humedad, entre otros. INTA es elresponsible de realizer estos tests en nuestras instalaciones, con elinconveniente de que el sistema debe estar en operación con H2,

FUEL CELLS in the Aeronautical SectorAviación Civil Comercial

A320: Energy supply componentsRef.: Roessler, Schoemann and Baier

Uso de PC para sustituir: Ventaja / Desventaja

Baterías También necesita baterías

Generador Motores Mucho Peso

RAT(Ram Air Turbine) No aumenta D

APU Ahorra fuel y Produce H2O

Aplicabilidad de Pilas de Combustible en Avión de Transporte Comercial

Aplicaciones Aeronáuticas de las PCAviación Civil Comercial

IATA – Aviation and Climate Change

1. Los vehículos aéreos con pila de combustible son solo competitivos en aquéllas aplicaciones en las que se requiere baja potencia y alta autonomía (UAVs)

2. En vehículos tripulados tipo motoveleros también pueden utilizarse, pero las actuaciones de vuelo son pobres comparadas con las del MCI equivalente.

3. En aviones de transporte solo se considera la tecnología de PC para APUs, RATs o suministro de potencia en tierra.

Propulsión APU

UAVs(Vehículos no tripulados)

Motoveleros

Avión de transporte Irrealista

Conclusiones

Aplicaciones Aeronáuticas de las PC