Análisis de sistemas de propulsión para USV de hidrógeno y baterías

Abstract

El presente trabajo aborda, en el marco de un proyecto de I+D de ámbito empresarial, el análisis de distintos sistemas de propulsión para vehículos de superficie no tripulados (USV) basados en hidrógeno renovable. El objetivo es determinar qué sistema permite almacenar la mayor cantidad de energía a bordo por unidad de peso y, por tanto, ofrecer una mayor autonomía. Para ello se emplea un software de simulación, desarrollado en Matlab, que reproduce el comportamiento del campo fotovoltaico, las cargas de consumo, la electrónica de control, la batería de litio, el electrolizador, el depósito de hidrógeno, la pila de combustible y el depósito de agua, permitiendo variar los parámetros de entrada y los escenarios de radiación y consumo. Se estudian dos embarcaciones. Para el USV de 1,6 m se analiza la viabilidad de la producción de hidrógeno a bordo, concluyendo que solo es viable con relaciones potencia fotovoltaica/consumo muy elevadas; por las restricciones de espacio y peso se opta por un sistema eléctrico de baterías con una estación de carga autónoma patentada. Para el USV de 5 m se comparan un sistema de baterías, un sistema híbrido de pila de combustible sin generación a bordo y otro con generación a bordo, en distintas latitudes y épocas del año, complementando el análisis técnico con un estudio de costes. Los resultados muestran que el sistema híbrido sin generación de hidrógeno a bordo ofrece la mejor combinación de autonomía, peso y coste.

This work addresses, within the framework of an industrial R&D project, the analysis of different propulsion systems for unmanned surface vehicles (USV) based on renewable hydrogen. The aim is to determine which system stores the greatest amount of energy on board per unit of weight and therefore provides the longest endurance. A simulation software developed in Matlab is used, reproducing the behaviour of the photovoltaic array, the consumption loads, the control electronics, the lithium battery, the electrolyser, the hydrogen tank, the fuel cell and the water tank, allowing the input parameters and the radiation and consumption scenarios to be varied. Two vessels are studied. For the 1.6 m USV, the viability of on-board hydrogen production is analysed, concluding that it is only viable with very high photovoltaic power/consumption ratios; due to space and weight constraints, a battery electric system with a patented autonomous charging station is chosen. For the 5 m USV, a battery system, a hybrid fuel-cell system without on-board generation and one with on-board generation are compared across different latitudes and seasons, complementing the technical analysis with a cost study. The results show that the hybrid system without on-board hydrogen generation offers the best combination of endurance, weight and cost.