A resistência à bateria é um gargalo para a tecnologia de drones. O hidrogênio poderia oferecer uma solução? A DroneLife tem a honra de publicar este publish de convidado do Dr. Neel Sirosh, CTO no H2MOF: um fornecedor de soluções de armazenamento de hidrogênio seguro e eficiente. O DroneLife não aceita nem faz pagamento para postagens de hóspedes.
Superando o gargalo de armazenamento de energia da indústria de UAV
Escrito pelo Dr. Neel Siosh, CTO em H2MOF
Think about um drone que voa acima de uma vasta paisagem remota – seus sensores capturando dados críticos para o monitoramento ambiental/infraestrutura de monitoramento ou pesquisa de uma zona de desastre. A missão é crítica e cada segundo da transmissão de dados contam. No entanto, quando o drone se aproxima de uma fase crítica da missão, a contagem regressiva para o pouso começa, com apenas alguns minutos restantes antes de voltar à base para uma longa recarga. Esse cenário se desenrola todos os dias em indústrias dependentes de UAVs, onde o armazenamento de energia é o herói desconhecido – e, no entanto, a ligação mais fraca na busca da indústria de “elevador de longo alcance”.
A indústria do UAV está experimentando um rápido crescimento, mas seu progresso é cada vez mais restrito pelas limitações das tecnologias atuais de armazenamento de energia. Hoje, a grande maioria dos drones se baseia nas baterias de íons de lítio ou polímero de lítio, o que impõe limitações à resistência ao voo, capacidade de carga útil e eficiência operacional. A maioria dos UAVs movidos a bateria é restrita a tempos de voo inferior a 60 minutos, com muitos alcançando apenas 10 minutos ao carregar cargas úteis mais pesadas. Embora os UAVs VTOL de asa fixa possam estender sua resistência, as melhorias permanecem modestas, a menos que os motores de combustão interna sejam implantados-uma abordagem comumente vista no setor militar, mas menos prático para aplicações comerciais e industriais.
Os tempos de recarga da bateria, que normalmente variam de 60 a 90 minutos, interrompem ainda mais as operações do UAV. Embora a troca de bateria mitiga parte desse tempo de inatividade, é necessário transportar um inventário de baterias adicionais e manter uma fonte de energia para recarga remota – geralmente exigindo geradores a diesel em campo, adicionando complexidade logística e aumentando os custos operacionais. Além disso, as baterias à base de lítio se degradam ao longo do tempo, limitando sua vida útil a um número finito de ciclos de carga antes de exigir substituição. Isso adiciona custos recorrentes e encargos de manutenção às frotas UAV, restringindo ainda mais a escalabilidade. Além disso, o peso da bateria compete diretamente com a capacidade de carga útil, forçando os operadores a fazer trade-offs entre resistência e a capacidade de transportar equipamentos ou carga de missão crítica.
As células de combustível de hidrogênio emergiram como uma alternativa promissora, oferecendo densidade energética muito superior, reabastecimento rápido e menor impacto ambiental em comparação aos sistemas tradicionais de baterias. No entanto, os métodos de armazenamento de hidrogênio existentes-sejam vasos de alta pressão ou criogênico-introduzem complexidades na arquitetura do sistema, operações de vôo e logística de fornecimento de combustível que afetam sua viabilidade para os UAVs. A indústria há muito procurou uma solução de armazenamento de hidrogênio segura, leve, eficiente e escalável para aplicações de UAV.
A necessidade de tecnologia de armazenamento de hidrogênio transformacional
Apesar das vantagens superiores das células de combustível de hidrogênio, sua adoção generalizada nos UAVs foi prejudicada pelos desafios fundamentais do armazenamento de hidrogênio. Métodos de armazenamento de hidrogênio existentes-hidrogênio comprimido, hidrogênio líquido e hidretos químicos ou metálicos-todos apresentam compensações significativas em eficiência, custo e praticidade para aplicações de UAV.
- Hidrogênio comprimido: Embora uma tecnologia madura, o hidrogênio comprimido sofre de eficiência volumétrica relativamente baixa, mesmo com altas pressões (700 bar). A necessidade de compressão em vários estágios e infraestrutura complexa aumenta tanto as despesas de capital (CAPEX) quanto as despesas operacionais (OPEX), com o processo de compressão consumindo aproximadamente 15% da energia armazenada. Os sistemas de hidrogênio de alta pressão continuam enfrentando desafios regulatórios e jurisdicionais também.
- Hidrogênio líquido: Embora ofereça alta eficiência volumétrica, o armazenamento de hidrogênio líquido requer processos de liquefação intensiva em energia, consumindo quase 40% da energia armazenada. A infraestrutura necessária para as plantas de liquefação é cara e justificável em grandes escalas. Perdas significativas devido à fervura e durante a transferência de combustível continuam sendo as principais desvantagens.
- Hidretos químicos e steel: essas soluções de armazenamento fornecem alta eficiência volumétrica, mas as taxas lentas de liberação de hidrogênio introduzem limitações operacionais. Além disso, quantidades substanciais de calor (até 300 ° C) são necessárias para liberar hidrogênio armazenado, aumentando ainda mais o consumo de energia e reduzindo a eficiência geral. Além disso, seu peso excessivo os torna impraticáveis para aplicativos UAV, onde a capacidade de carga útil é mais crítica.
Para desbloquear totalmente o potencial do hidrogênio na indústria de UAV, é necessária uma tecnologia de armazenamento de hidrogênio transformacional – que ofereça maior densidade de energia, menor peso, reabastecimento rápido e segurança operacional sem as desvantagens das soluções atuais.
Armazenamento de hidrogênio em estado sólido com base em materiais reticulares
Um avanço no armazenamento de hidrogênio usando materiais reticulares nano-engenheiros está revolucionando como os UAVs armazenam e utilizam hidrogênio. Essa abordagem inovadora permite o armazenamento de hidrogênio em estado sólido seguro, compacto e eficiente, com baixas pressões e temperaturas quase ambientais, eliminando a necessidade de compressão em vários estágios e liquefação criogênica.
Diferentemente das soluções tradicionais de armazenamento de hidrogênio, que dependem de estruturas de contenção pesadas ou processos intensivos em energia, os sistemas de armazenamento baseados em materials reticular oferecem eficiência gravimétrica e volumétrica superior. Esses materiais inovadores têm o potencial de exceder as metas do sistema do Departamento de Energia dos EUA (DOE), atingindo eficiências gravimétricas bem acima de 5,5% em peso e eficiências volumétricas superiores a 40 g/l. Isso se traduz em uma melhoria de quase 30% na eficiência gravimétrica e até o dobro da eficiência volumétrica dos tanques de hidrogênio convencionais de 700 barras. O resultado para os aplicativos UAV é significativamente prolongado com os tempos de voo e o aumento da capacidade de carga útil, abordando as principais limitações dos métodos atuais de armazenamento de energia do UAV.
A capacidade de configurar esses sistemas de armazenamento para adsorção e liberação rápida de hidrogênio garante que os UAVs recebam combustível de hidrogênio sob demanda para atender às diversas necessidades operacionais. O armazenamento de estado sólido de baixa pressão também permite formas não tradicionais e conformáveis, melhorando a eficiência da embalagem e a aerodinâmica. Essa flexibilidade permite que os fabricantes de UAV otimizem o design de aeronaves para resistência e carga útil, para satisfazer as demandas do cliente de “elevador de longo alcance e pesado”. A maior eficiência gravimétrica se traduz diretamente em maior capacidade de carga útil, permitindo que os drones carregem equipamentos ou carga de transmissão de dados mais pesados e de transmissão de dados sem comprometer a duração do voo.
Além das melhorias no desempenho, o armazenamento de hidrogênio em estado sólido com base em materiais reticulares também oferece vantagens significativas de custo e escalabilidade. Ao reduzir os custos de entrega de hidrogênio em 50% em comparação com os sistemas convencionais de armazenamento de 200 a 500 bar e quase 80% versus liquefação e transporte criogênicos, essa tecnologia torna mais viável as operações de UAV alimentadas por hidrogênio. Além disso, a eliminação de compressão de alta pressão ou armazenamento criogênico simplifica os requisitos de infraestrutura, reduzindo o custo e a complexidade da implantação de hidrogênio. Operar com baixas pressões e temperaturas quase ambientes também simplifica obstáculos regulatórios e de conformidade, tornando a integração nos sistemas UAV mais fácil e prática.
Com configurações escaláveis que variam de 100 gramas a 40 kg de capacidade de hidrogênio, o armazenamento de hidrogênio em estado sólido com base em materiais reticulares pode ser adaptado a vários requisitos da missão do UAV. Seja através de cartuchos de gás portáteis ou subsistemas de armazenamento integrados, esse método de armazenamento avançado ajudará a quebrar o gargalo de armazenamento de energia do UAV, estender as durações de voos e melhorar a eficiência operacional em aplicações comerciais, industriais e de defesa.
Redefinindo o futuro dos sistemas de energia UAV
A introdução de UAVs movidos a hidrogênio representa uma transformação elementary no setor, fornecendo a próxima geração de sistemas aéreos com capacidade de resistência, agilidade e carga útil sem precedentes. À medida que a tecnologia de armazenamento de hidrogênio em estado sólido baseado em materiais reticulares continua a amadurecer, os fabricantes e operadores de UAV poderão capitalizar suas vantagens para ultrapassar os limites do que é possível nas aplicações de drones.
O desbloqueio de todo o potencial dos UAVs exige que se libertar das restrições da tecnologia tradicional de bateria. Ao aproveitar o poder dos materiais reticulares de nano-engenharia, as limitações do armazenamento de hidrogênio estão sendo abordadas, abrindo caminho para um futuro em que os UAVs possam operar por mais tempo, carregar mais e funcionar com maior segurança e confiabilidade do que nunca.
Para arquitetos, fabricantes e operadores do UAV System que desejam integrar as soluções de energia da próxima geração, é agora a hora de explorar o armazenamento de hidrogênio em estado sólido. Seja em logística comercial, operações de defesa ou monitoramento ambiental/de infraestrutura, essa tecnologia inovadora será elementary para moldar o futuro do desempenho do UAV.
Dr. Neel Siosh, CTO de H2MOFé um especialista em sistemas de hidrogênio com mais de 25 anos de experiência em P&D de energia limpa, desenvolvimento de produtos e comercialização. Ele liderou o trabalho inovador em tecnologias de armazenamento de hidrogênio para organizações como Daimler, Toyota, NASA e hidrogênio common, e anteriormente serviu como CTO em tecnologias quânticas e gases de hidrias/catec. Ele possui inúmeras patentes, publicou extensivamente o armazenamento de hidrogênio e ajudou a moldar os padrões internacionais de hidrogênio. O Dr. Sinosh obteve um doutorado em engenharia pela Universidade de Calgary e um MBA Executivo da UC Irvine.
Miriam McNabb é o editor-chefe da DroneLife e CEO da Jobfordrones, um mercado profissional de serviços de drones e um observador fascinado da indústria de drones emergentes e do ambiente regulatório para drones. Miriam escreveu mais de 3.000 artigos focados no espaço comercial de drones e é um orador internacional e uma figura reconhecida no setor. Miriam é formado pela Universidade de Chicago e mais de 20 anos de experiência em vendas e advertising and marketing de alta tecnologia para novas tecnologias.
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Twitter:@spaldingBarker
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