Brennstoffzellen für unbemannte Multirotor-Luftfahrzeuge: Eine vergleichende Studie zur Energiespeicherung und Leistungsanalyse

Im Jahr 2019 erreichten die weltweiten Kohlendioxidemissionen 920 Millionen Tonnen [1]. Die Kohlenstoffemissionen aller Verkehrsträger machten etwa 21 % der Gesamtemissionen aus, wobei die Luftfahrtindustrie einen erheblichen Beitrag leistete. Derzeit machen die Luftfahrtemissionen etwa 12 % aller verkehrsbedingten Emissionen aus, wobei die Verbrennung von Flugkerosin 79 % der Emissionen der Luftfahrtindustrie ausmacht. Während der Gesamtanteil der Emissionen der Luftfahrtindustrie derzeit möglicherweise nicht besonders groß erscheint, verläuft der Dekarbonisierungsprozess von Flugkerosin im Vergleich zu anderen Verkehrssektoren relativ langsam. Auch der Climate Action Tracker bewertete die Fortschritte der Luftfahrtindustrie bei der CO2-Neutralität als „unzureichend“. Da andere Branchen sich der Dekarbonisierung zuwenden, wird der relative Emissionsanteil von Branchen wie der Luftfahrt, die „schwer zu reduzieren“ sind, zwangsläufig steigen. Wenn die prognostizierte jährliche Wachstumsrate der Luftfahrtindustrie in den nächsten 20 Jahren ungebremst bleibt, könnten die Emissionen bis 2040 um 11 % steigen [2]. Besorgniserregend ist, dass bis 2050 25 % der weltweiten CO2-Emissionen aus der Luftfahrtindustrie stammen könnten. Infolgedessen sind alternative Energiequellen wie Wasserstoff-Brennstoffzellen, Biokraftstoffe und Sonnenkollektoren zu wichtigen Forschungsthemen im Luftfahrtsektor geworden [3]. Die Dekarbonisierung und Elektrifizierung der Luftfahrt, insbesondere der Zivilluftfahrt, sind zu dringenden globalen Notwendigkeiten geworden [4,5].

Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) mit mehreren Rotoren sind ein integraler Bestandteil der Luftfahrtindustrie und werden häufig in Anwendungen wie der Land- und Forstwirtschaft, regionalen Inspektionen und dem Schnelltransport über kurze bis mittlere Entfernungen eingesetzt [6,7]. Auch die entsprechende Forschung zur Leistungssteigerung durch die Steuerung von Flugparametern, die Bahnplanung und die Optimierung von Flugstrukturen nimmt zu [[8], [9], [10]]. Eine wesentliche Einschränkung der meisten derzeit verfügbaren kommerziellen Multirotor-UAVs ist jedoch ihre Abhängigkeit von Lithiumbatterien. Diese UAVs weisen typischerweise Startmassen auf<25 kg, payload capacities <5 kg, and flight duration times ≤40 min [[11], [12], [13]]. This durability challenge restricts the use of these battery-powered UAVs in different scenarios. To boost the maximum range and operational capabilities, significant research has focused on investigating high-capacity batteries, using lightweight materials in the structure, and optimising path planning.

Derzeit liefern hochmoderne---Lithium--Polymerbatterien spezifische Energien im Bereich von 130–200 Wh/kg. Unter Berücksichtigung des Potenzials zukünftiger Batterietechnologien wird mit einer berechneten Reichweite neuer Technologien von 250 Wh/kg gerechnet [14,15]. Barke et al. [16] skizzierte die Aussichten und technischen Herausforderungen für Lithium--Schwefelbatterien. Obwohl eine hohe spezifische Energiedichte von mehr als 400 Wh/kg die Masse des Antriebssystems im Vergleich zu herkömmlichen Batterien erheblich reduzieren könnte, was Lithium--Schwefelbatterien wettbewerbsfähig machen würde, behindert ihre kurze durchschnittliche Lebensdauer ihre Anwendung. Yap et al. [17] untersuchten leichte UAVs durch eine Kombination aus additiver Fertigung mittels 3D-Druck und topologischer Strukturoptimierung. Yuan et al. [18] untersuchten den Einfluss von Designparametern wie Propellerradius, Propellergeschwindigkeit, Anzahl der Propellerblätter, Sehnenbreite und Vordrehwinkel auf die Flugdynamik und Leistung eines Flugzeugs. Mithilfe der Adkins-Liebeck-Entwurfsmethode optimierten sie das Rotorblattdesign, was zu einer Reduzierung des Flugzeugstromverbrauchs um etwa 3 % führte. Huang et al. [19] schlugen eine Methode zur Aufgabenplanung und Pfadplanung für eine kombinierte Flotte von UAVs und Lastwagen vor, die auf einem Ameisenkolonie-Algorithmus basiert, um die Transporteffizienz von UAV-Schwärmen für die Logistik zu verbessern. Dieser Ansatz erweiterte den operativen Abdeckungsradius batteriebetriebener UAVs erheblich.

Aufgrund der Energiedichte von Lithiumbatterien haben die oben genannten Methoden jedoch nur einen relativ begrenzten Einfluss auf die Erweiterung der UAV-Reichweite. Aufgrund des erheblichen Leistungsbedarfs der zusätzlichen Masse führt das bloße Hinzufügen weiterer Batterien nicht zu einer wesentlichen Erhöhung der maximalen Reichweite. Daher besteht ein dringender Bedarf an der Erforschung von Antriebsstrangverbesserungen zur Steigerung der spezifischen Energie.

Wasserstoff ist mit seiner drei{1}fach höheren Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichem Kerosin als potenzielle Antriebslösung für Langstreckenflüge vielversprechend. Derzeit bieten gängige Brennstoffzellen-Hybridsysteme spezifische Energieniveaus im Bereich von 250 bis 540 Wh/kg [20]. Der Einsatz von Brennstoffzellenantrieben ist ein beliebtes Forschungsthema in der Luftfahrt [21]. Ein Beispiel ist die Horizon Energy Systems Aerostack-Serie [22]. Luft-gekühlte Brennstoffzellen wurden erfolgreich in zahlreiche UAVs integriert [[23], [24], [25], [26], [27]].

Die Bevorzugung der Luftkühlung in Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapeln (PEMFC) in UAVs ergibt sich aus strengen Gewichts- und Platzbeschränkungen [28]. Santos [29] und Boukoberine et al. [30] verwendeten reale Flugtestdaten, um Design- und Formulierungsstrategien für brennstoffzellenbetriebene Multirotor-UAVs mit einem Leistungsbedarf von etwa 300 W bzw. 1400 W zu entwickeln. Lee et al. [31] wiesen darauf hin, dass die passive Luftkühlung, die häufig in kleinen PEMFC-Geräten mit einem Leistungsbedarf von 1 bis 2 kW verwendet wird, das Ansaugen und Verteilen von Reaktanten- und Kühlluft im Stapel mit denselben Lüftern beinhaltet. Intelligent Energy Ltd. [32] gibt an, Stromversorgungssysteme mit luftgekühlten Brennstoffzellen für UAVs mit einem Nennleistungsbedarf von 4,8 kW auszustatten. Aus dem oben Gesagten kann gezeigt werden, dass die Einführung eines frei{22}}atmenden, passiv-gekühlten Stapels möglich ist, da Brennstoffzellen mit Leistungen von 0 bis 4,8 kW typischerweise mit Lüftern ausgestattet sind, die den notwendigen Luftstrom für Kühlung und Reaktion bereitstellen.

Obwohl Brennstoffzellen hinsichtlich der Energiedichte Vorteile haben, wird ihre Manövrierfähigkeit durch ihre relativ geringe Leistungsdichte, lange Zeitverzögerungen und langsamen Reaktionen beeinträchtigt [33]. Im Gegensatz dazu können Lithiumbatterien, denen es möglicherweise an Langstreckenfähigkeiten mangelt, eine höhere Leistungsabgabe liefern und so verbesserte dynamische Reaktionsfähigkeiten bieten, insbesondere bei Hochleistungstransienten, etwa wenn ein UAV schnell von der Reiseflug- in die Schwebe- oder Sinkflugphase wechselt [34]. Daher ist in solchen Szenarien die Kombination von Lithiumbatterien mit Brennstoffzellen zu Hybridantriebssystemen eine praktikable Strategie, um hohe Energie- und Leistungsdichten in UAVs zu erreichen [35]. Effektive Energiemanagementstrategien tragen außerdem dazu bei, die Reichweite und Umweltverträglichkeit von UAVs mit Hybridbrennstoffzellenantrieb zu erhöhen [36,37]. Daher ist für Brennstoffzellen-UAVs mit geringer Leistung die Verwendung von luftgekühlten Brennstoffzellen in Kombination mit Lithiumbatterien eine praktikable Lösung, die ein Gleichgewicht zwischen maximaler Reichweite und Reaktionszeit bietet.

Aus dem oben Gesagten wird deutlich, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen und die Wirtschaftlichkeit in geringer Höhe zunehmend in den Mittelpunkt der globalen Aufmerksamkeit rücken. Wasserstoff-Brennstoffzellen mit ihrer überlegenen Energiedichte erweisen sich als Lösung, um die Mängel von mit Lithiumbatterien betriebenen UAVs zu beheben und die Dekarbonisierung in der Luftfahrtindustrie voranzutreiben. Doch obwohl mit Lithiumbatterien betriebene UAVs in praktischen Anwendungen keine lange Haltbarkeit aufweisen, was darauf hindeutet, dass die Energiedichte von Brennstoffzellen höher ist als die von Lithiumbatterien, konzentriert sich der aktuelle Großteil der Forschung auf die Energiemanagementstrategien von mit Brennstoffzellen betriebenen UAVs. Diese Strategien nutzen den Strombedarf in Echtzeit als Eingabe, um mithilfe von Algorithmen Stromzuteilungsschemata für verschiedene Stromquellen abzuleiten. Dies unterscheidet sich nicht wesentlich von der Energiemanagement-Strategieforschung, die unser Team zuvor zu Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb durchgeführt hat [38,39]. Aufgrund des Verzichts auf aufwändiges Zubehör haben Lithiumbatterien in kleineren Leistungsbereichen oft Vorteile. Derzeit gibt es kaum Literatur darüber, ab welcher Schwelle Brennstoffzellen-Hybridantriebe Lithiumbatterie-Antriebe übertreffen.

In dieser Studie konzentrieren wir uns auf zwei Probleme, die in früheren Studien zu brennstoffzellenbetriebenen UAVs oft übersehen wurden. Zunächst wurde für bestimmte Modelle und Flugprofile eine Methode vorgeschlagen, um die Randbedingungen für den Ersatz von Lithiumbatterie-Antriebssystemen durch Brennstoffzellen-Hybridantriebssysteme zu berechnen, indem der Bereich bestimmt wird, in dem Brennstoffzellen für UAV-Anwendungen besser geeignet sind. Zweitens werden die einzigartigen Aspekte von Brennstoffzellen-UAV-Anwendungsszenarien analysiert; Besonders wichtig ist ihr Einfluss auf die Stromnachfrageseite.

Eine Voraussetzung für die Formulierung von Energiemanagementstrategien unter Verwendung des Echtzeit-Strombedarfs als Eingabe besteht darin, die Schwankungen des Strombedarfs und -angebots für UAVs in verschiedenen Umgebungen zu verstehen, die Randbedingungen für den Strategieformulierungsprozess darstellen. In praktischen Anwendungen benötigen UAVs, die in großen Höhen betrieben werden, aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur und der Luftdichte typischerweise mehr Energie, um einen stabilen Flug aufrechtzuerhalten [40]. Darüber hinaus bedarf der Einfluss von Höhenänderungen auf die Brennstoffzellenkühlung weiterer Aufmerksamkeit [41]. Ozbek et al. [42] betonten die Notwendigkeit, gleichzeitig den UAV-Leistungsbedarf und Temperaturänderungen zu berücksichtigen, um deren Koordination sicherzustellen. Das Brennstoffzellensystem befindet sich im Rumpf des UAV und saugt direkt Umgebungsluft von außen an, die direkt von äußeren Umweltfaktoren beeinflusst wird. Einerseits führt eine Abnahme der Luftdichte zu einem Anstieg des Leistungsbedarfs von UAVs, was zu einer erhöhten Wärmeabgabe aus dem Brennstoffzellenstapel führt. Gleichzeitig kann die Wärmeableitungsrate des Brennstoffzellenstapels je nach Umgebungsveränderungen variieren und dünne Luft verringert den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten. Eine Verringerung der Außentemperatur erhöht jedoch den Temperaturunterschied zwischen dem Stapel und der Umgebung, was dazu beiträgt, den Wärmeaustausch zwischen dem Stapel und der Umgebung zu verbessern.

Dieses Papier beschränkte sein Forschungsobjekt auf Hexacopter-UAVs mit einem maximalen Startgewicht (MTOW) von 25 kg und untersuchte den Einfluss der Höhe auf brennstoffzellenbetriebene UAVs. Bei der Formulierung von Energiemanagementstrategien bestand der Ansatz darin, die Leistung des Brennstoffzellen-Antriebssystems zu maximieren und gleichzeitig zu ermöglichen, dass Lithiumbatterien schnell auf den Leistungsbedarf reagieren, anstatt Strategien zu entwickeln, die die gesamte verfügbare Energie nutzen oder die Reichweite maximieren. Durch eine Literaturrecherche, Simulink-Modellierung und ANSYS-Simulation zielt diese Studie darauf ab, den Bereich zu klären, in dem der Einsatz von Brennstoffzellen in UAVs eine wirtschaftlichere Wahl ist, die maximalen Fluggrenzen von UAVs mit Brennstoffzellenantrieb mit unterschiedlichen Massen zu verstehen, die Herausforderungen zu erfassen, die einzigartige Anwendungsszenarien für UAVs mit Brennstoffzellenantrieb mit sich bringen, und mögliche Lösungen zu identifizieren.

Der Rest dieses Papiers ist wie folgt gegliedert. Abschnitte 2 Methoden zur Modellierung des UAV-Leistungsbedarfs, 3 Methoden zum Entwurf und zur Anpassung des Antriebssystems, 4 Methode zur Berechnung des stöchiometrischen Luftverhältnisses zur Wärmeableitung stellen Methoden zur Berechnung des UAV-Leistungsbedarfs, zur Anpassung von brennstoffzellenbetriebenen UAV-Antriebssystemen und zur Berechnung des erforderlichen Luftstroms zur Kühlung von Brennstoffzellen vor. Die Simulationsergebnisse werden in Abschnitt 5 besprochen. Abschließend werden in Abschnitt 6 eine Diskussion und Schlussfolgerungen vorgestellt.