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INSTITUTO NACIONAL de TECNICA AEROESPACIAL
APLICACIONES AERONÁUTICAS DE LAS PILAS
DE COMBUSTIBLE
M. Pilar Argumosa Martínez
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Aplicaciones Aeronáuticas de las PC
Vehículos Aéreos no tripulados HALE Mini UAVsAviación Civil GeneralAviación Civil Comercial
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Vehículos Aéreos no tripulados
HALE_High Altitude Long Endurance
Aplicaciones Aeronáuticas de las PC
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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
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•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
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Vehículos Aéreos no tripulados
Pequeños UAVs
Aplicaciones Aeronáuticas de las PC
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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
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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
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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
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HORIZON FC ENERGY Or
Aplicaciones Aeronáuticas de las PC
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Aviación Civil General
Aplicaciones Aeronáuticas de las PC
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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
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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
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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
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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
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ENFICA-FC (Univ. Torino) 2012Hydrogenius (Univ. Stutgart)
Aplicaciones Aeronáuticas de las PCAviación Civil General
HY4 DLR 2016
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Aviación Civil Comercial
Aplicaciones Aeronáuticas de las PC
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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
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- 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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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