Sistema de almacenamiento de hidrógeno para vehículos eVTOL. Automatización y estandarización del proceso de repostaje

Abstract

[ES] El crecimiento de las ciudades junto con la contaminación y la necesidad de reducirla, hace que surjan posibles futuras exigencias en cuanto al transporte sostenible. De ello surge el ZATA, un VTOL eléctrico de pila de hidrógeno diseñado por Capgemini. Debido a los problemas que tiene aún esta tecnología surge la necesidad de un sistema de almacenamiento de hidrógeno que sea viable para este tipo de vehículos y se procede a diseñarlo junto con una automatización de la recarga del mismo y una comparativa con otras posibilidades para ello. La alternativa que se desarrolla en este trabajo es el cambio de las bombonas vacías al final de una misión por bombonas llenas, y la comparativa se hace con un sistema similar al de las hidrogeneras de los coches de pila de hidrógeno. Partiendo de la base del diseño del ZATA, su estructura, parte propulsiva y datos calculados de consumo de electricidad y de un modelado de la pila de hidrógeno, se diseña el sistema de almacenamiento del hidrógeno de forma que se equilibren peso, tamaño y simplicidad. Se calcula el volumen de hidrógeno a 700 bar necesario y la forma de conectarlo con la célula, buscando en diferentes catálogos de fabricantes los elementos básicos del sistema, como son las bombonas, las válvulas, las mangueras y roscas de conexión. Se diseña en CAD las bombonas y el sistema de enganche para las roscas para automatizarlo, decidiendo que el método sea un tornillo sin fin- corona, de forma que el proceso sea rápido y no sea necesaria la interacción humana. Con la parte interior diseñada, se procede al diseño de la automatización del sistema exterior, el cual se decide que sea similar a los de cambios de baterías automatizados en coches eléctricos, llegando así la aeronave de diseño a una estación de recambio, y mediante un brazo robótico que se mueva sobre un raíl, la aeronave se abra, agarre los tanques y en ese momento entra en funcionamiento el sistema interior, de forma que las bombonas quedan libres, el brazo las deposita en un almacén, recoge unas llenas y las lleva a la aeronave, donde el sistema exterior las vuelve a enganchar en el eVTOL, quedando éste listo para una nueva misión.

[EN] The growth of cities together with pollution and the need to reduce it, raises possible future requirements in terms of sustainable transport. From this arises the ZATA, a hydrogen cell electric VTOL designed by Capgemini. Due to the problems that this technology still has, the need arises for a hydrogen storage system that is viable for this type of vehicle and we proceed to design it together with an automated refuelling system and a comparison with other possibilities for this purpose. The alternative developed in this work is the exchange of empty tanks at the end of a mission for full tanks, and the comparison is made with a system similar to the hydrogen stations for fuel cell cars. Based on the design of the ZATA, its structure, propulsion part and calculated electricity consumption data and modelling of the hydrogen fuel cell, the hydrogen storage system is designed to balance weight, size and simplicity. The volume of hydrogen at 700 bar required and the way to connect it to the cell is calculated, searching in different manufacturers' catalogues for the basic elements of the system, such as cylinders, valves, hoses and connection threads. The cylinders and the coupling system for the threads are designed in CAD to automate it, deciding that the method should be a worm screw-crown, so that the process is quick and human interaction is not necessary. With the interior part designed, we proceed to the design of the automation of the exterior system, which is decided to be similar to those of automated battery changes in electric cars, so that the aircraft design arrives at a refuelling station, and a robotic arm moves on a rail, the aircraft opens, grabs the tanks and at that moment the interior system comes into operation, so that the cylinders are free, the arm deposits them in a warehouse, picks up the full ones and takes them to the aircraft, where the exterior system reattaches them to the eVTOL, leaving it ready for a new mission.