Un avión no tripulado incorpora un nuevo tipo de pila de combustible, alimentada por hidrógeno y ultraligera, para mejorar la autonomía de vuelo y la altitud potencial de estos aparatos

CEU-UCH/DICYT.-  Investigadores de la Escuela Superior de Enseñanzas Técnicas de la CEU-UCH, en colaboración con el Laboratorio de Investigación en Fluidodinámica y Tecnologías de la Combustión (LIFTEC) -instituto mixto del CSIC y la Universidad de Zaragoza- trabajan desde hace más de dos años en el diseño de un prototipo de dron o avión no tripulado (UAV) de pequeño tamaño y muy ligero, que utiliza el hidrógeno como combustible.

Este proyecto está financiado por la Secretaría de Estado de Investigación del Ministerio de Economía y Competitividad. Los últimos avances del equipo en la estimación de los requisitos del aparato, la optimización de los parámetros de explotación de la pila y la incorporación de un sistema pasivo de enfriamiento, han sido presentados esta semana en el Hyceltec 2015, celebrado en Tenerife, y pueden permitir a este dron alcanzar los 10.000 metros de altitud. Las pruebas de vuelo, que pueden confirmar esta capacidad potencial estimada del aparato en altitud y autonomía, están previstas para este otoño.

Según explica el investigador del proyecto y profesor de la Escuela Superior de Enseñanzas Técnicas de la CEU-UCH, Jordi Renau, “el Ápeiron es una plataforma de prueba de la tecnología de pilas de combustible para elevada altitud. A día de hoy, se han probado las pilas en UAVs de bajo peso, que es donde mejor densidad de energía presentan, y se han demostrado válidas, pero nunca se ha volado con ellas a elevada altitud, es decir, a más de 9.000 metros”.

Cota 10 kilómetros

Según Jordi Renau, “cuando se hace el análisis de la capacidad de vuelo de un avión de cualquier tipo, la masa en el despegue es clave: el diseño de la aerodinámica y de todo el equipamiento se realiza en función de la masa de la plataforma del aparato, marcando unos objetivos que se conocen como tiempo de vuelo, o autonomía, y techo de servicio, o altitud a la que está destinado a volar el avión en modo crucero. En nuestro caso, el objetivo del UAV Ápeiron es alcanzar los 10.000 metros de altitud sobre el nivel del mar”.

Para lograr este objetivo de “cota 10 kilómetros” es necesario disponer de una determinada potencia y de la cantidad de energía suficiente embarcada en el dron. Para ello, el equipo investigador de la CEU-UCH y el LIFTEC ha desarrollado un algoritmo de simulación de vuelo para el Ápeiron: “Conociendo la potencia y la energía requeridas, podemos hacer una estimación de la masa de los diferentes componentes del dron que le permitirían alcanzar la altitud que buscamos, los 10.000 metros, con la suficiente autonomía”, añade el profesor de la CEU-UCH Jordi Renau.

Avances en la estimación

Entre los UAV ligeros, menores de 30 kilos de peso, el Ápeiron destaca por su ligereza: su masa total estimada es de 13 kilos, de los cuales, la parte más significativa es el almacenamiento de gases (hidrógeno y oxígeno) que constituyen el combustible de este dron, y que suponen un 43% del total, lo que significa unos 5,8 kilos de peso. “En los sistemas de almacenamiento energético –añade Jordi Renau- hay otro parámetro importante: la densidad energética, o cantidad de energía que se puede almacenar por unidad de masa. Con el diseño actual de la pila de combustible del Ápeiron, hemos alcanzado una cifra de densidad energética de almacenamiento de 423 vatios hora por kilogramo (Wh/kg). Esta cifra es muy superior a la capacidad de las baterías modernas de litio, que rondan valores de 170 Wh/kg como media y, en casos muy específicos, pueden alcanzar un máximo de 200 a 230 Wh/kg”.

Con estos avances presentados en Hyceltec 2015, el siguiente paso del equipo de la CEU-UCH y el LIFTEC es el ensamblaje de toda la planta de potencia del Ápeiron, para comprobar si se genera la potencia esperada durante el tiempo necesario para alcanzar la cota de vuelo fijada como objetivo. Finalmente, se realizarán las pruebas en vuelo, previstas para este otoño.

Equipo investigador

Jordi Renau, José Miralles, Alberto Giménez y Fernando Sánchez son los investigadores de la CEU-UCH participantes en el proyecto del Ápeiron, junto a Antonio Lozano, Jorge Barroso, Jesús Martín y Félix Barreras, del LIFTEC, instituto mixto del CSIC y la Universidad de Zaragoza. Sus avances en el desarrollo de la pila de combustible han sido aceptados este mes de marzo para su publicación en el International Journal of Hydrogen Energy (JCR Q-1) con el artículo titulado “Use of fuel cell stacks to achieve high altitudes in light unmanned aerial vehicles”. Y el número de octubre de la revista internacional Applied Thermal Engineering incluirá el artículo “Experimental determination of the heat transfer coefficient for the optimal design of the cooling system of a PEM fuel cell placed inside the fuselage of an UAV”, sobre sus mejoras en el sistema pasivo de enfriamiento, aplicados al UAV Ápeiron.

Esta misma semana, el equipo ha presentado en el V Iberian Symposium on Hydrogen, Fuel Cells and Advanced Batteries, Hyceltec 2015, celebrado del 5 al 8 de julio en Tenerife, una comunicación sobre el diseño de la pila y el sistema de refrigeración y un póster sobre el balance de masas de los diferentes elementos del UAV y la planta de potencia.

Fotos: CEU-UHC.