Sel Bahan Bakar Untuk Kendaraan Udara Tak Berawak Multirotor: Studi Perbandingan Penyimpanan Energi Dan Analisis Kinerja

Pada tahun 2019, emisi karbon dioksida global mencapai 920 juta ton [1]. Emisi karbon dari semua moda transportasi menyumbang sekitar 21% dari total emisi, dan industri penerbangan menjadi kontributor yang signifikan. Saat ini, emisi penerbangan mewakili sekitar 12 % dari seluruh emisi yang terkait dengan transportasi, dengan pembakaran minyak tanah penerbangan menyumbang 79 % emisi industri penerbangan. Walaupun proporsi keseluruhan emisi dari industri penerbangan saat ini mungkin tidak terlalu signifikan, proses dekarbonisasi minyak tanah untuk penerbangan relatif lambat dibandingkan dengan sektor transportasi lainnya. Climate Action Tracker juga menandai kemajuan industri penerbangan dalam netralitas karbon sebagai “tidak cukup”. Ketika industri lain menerapkan dekarbonisasi, porsi emisi relatif industri seperti penerbangan, yang “sulit untuk dikurangi”, pasti akan meningkat. Jika proyeksi tingkat pertumbuhan tahunan industri penerbangan tetap tidak terkendali selama 20 tahun ke depan, emisi dapat meningkat sebesar 11% pada tahun 2040 [2]. Pada tahun 2050, prospek yang mengkhawatirkan adalah 25% emisi karbon global berasal dari industri penerbangan. Akibatnya, sumber energi alternatif seperti sel bahan bakar hidrogen, biofuel, dan panel surya telah menjadi topik penelitian penting di sektor penerbangan [3]. Dekarbonisasi dan elektrifikasi penerbangan, khususnya penerbangan sipil, telah menjadi keharusan global yang mendesak [4,5].

Kendaraan udara tak berawak (UAV) multirotor merupakan bagian integral dari industri penerbangan dan banyak digunakan dalam aplikasi seperti pertanian, kehutanan, inspeksi regional, dan transportasi cepat jarak pendek-hingga menengah-[6,7]. Penelitian terkait yang bertujuan untuk meningkatkan kinerja dengan berfokus pada kontrol parameter penerbangan, perencanaan jalur, dan optimalisasi struktur penerbangan, juga sedang berkembang [[8], [9], [10]]. Namun, keterbatasan utama dari sebagian besar UAV multirotor komersial yang tersedia saat ini adalah ketergantungannya pada baterai litium. UAV ini biasanya menunjukkan-massa lepas landas<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.

Saat ini, baterai lithium-polimer tercanggih memberikan energi spesifik dalam kisaran 130–200 Wh/kg. Mempertimbangkan potensi teknologi baterai masa depan, kisaran perhitungan dengan teknologi baru diperkirakan mencapai 250 Wh/kg [14,15]. Barke dkk. [16] menguraikan prospek dan tantangan teknis yang dihadapi baterai litium-sulfur. Meskipun kepadatan energi spesifik yang tinggi melebihi 400 Wh/kg dapat mengurangi massa sistem propulsi secara signifikan dibandingkan dengan baterai konvensional, yang akan membuat baterai litium-sulfur menjadi kompetitif, umur rata-ratanya yang pendek menghambat penerapannya. Yap dkk. [17] mengeksplorasi UAV ringan melalui kombinasi manufaktur aditif menggunakan pencetakan 3D dan optimasi struktur topologi. Yuan dkk. [18] menyelidiki dampak parameter desain seperti radius baling-baling, kecepatan baling-baling, jumlah bilah baling-baling, lebar tali busur, dan sudut pra-putaran terhadap dinamika penerbangan dan kinerja pesawat. Dengan menggunakan metode desain Adkins-Liebeck, mereka mengoptimalkan desain bilah, sehingga menghasilkan pengurangan konsumsi daya pesawat sekitar 3 %. Huang dkk. [19] mengusulkan metode penjadwalan tugas dan perencanaan jalur untuk armada gabungan UAV dan truk berdasarkan algoritma koloni semut untuk meningkatkan efisiensi transportasi kawanan UAV untuk logistik. Pendekatan ini secara signifikan memperluas radius jangkauan operasional UAV bertenaga baterai.

Namun, kepadatan energi baterai litium berarti-metode yang disebutkan di atas memiliki dampak yang relatif terbatas dalam memperluas jangkauan UAV. Selain itu, karena kebutuhan daya yang signifikan dari massa tambahan, penambahan baterai saja tidak akan memperluas jangkauan maksimum secara signifikan. Oleh karena itu, ada kebutuhan mendesak untuk mengeksplorasi peningkatan powertrain untuk meningkatkan energi spesifik.

Hidrogen, dengan kepadatan energinya tiga-kali lipat lebih tinggi dibandingkan minyak tanah tradisional, menjanjikan potensi-solusi tenaga penerbangan jarak jauh. Saat ini, sistem hibrida sel bahan bakar yang umum menyediakan tingkat energi spesifik berkisar antara 250 hingga 540 Wh/kg [20]. Penerapan sistem propulsi sel bahan bakar merupakan topik penelitian yang populer di bidang penerbangan [21]. Salah satu contohnya adalah seri Horizon Energy Systems Aerostack [22]. Sel bahan bakar-berpendingin udara telah berhasil diintegrasikan di banyak UAV [[23], [24], [25], [26], [27]].

Preferensi untuk-pendinginan udara dalam tumpukan sel bahan bakar membran penukar proton (PEMFC) bersuhu rendah-di UAV muncul karena keterbatasan berat dan ruang yang ketat [28]. Santos [29] dan Boukoberine dkk. [30] menggunakan data uji penerbangan nyata untuk mengembangkan strategi desain dan formulasi UAV multirotor bertenaga sel bahan bakar dengan kebutuhan daya masing-masing sekitar 300 W dan 1400 W. Lee dkk. [31] menunjukkan bahwa pendinginan udara pasif, yang sering digunakan pada perangkat PEMFC skala kecil dengan kebutuhan daya mulai dari 1 hingga 2 kW, melibatkan penarikan dan pendistribusian udara reaktan dan pendingin ke seluruh tumpukan, menggunakan kipas yang sama. Intelligent Energy Ltd. [32] mengklaim menyediakan sistem tenaga dengan sel bahan bakar-berpendingin udara untuk UAV dengan kebutuhan daya terukur sebesar 4,8 kW. Dari penjelasan di atas, dapat ditunjukkan bahwa penerapan tumpukan berpendingin-pernapasan pasif{23}}bebas dapat dilakukan karena sel bahan bakar dengan daya berkisar antara 0 hingga 4,8 kW biasanya dilengkapi dengan kipas yang menyediakan aliran udara yang diperlukan untuk pendinginan dan reaksi.

Meskipun sel bahan bakar memiliki keunggulan dalam hal kepadatan energi, kemampuan manuvernya terhambat oleh kepadatan daya yang relatif rendah, waktu tunda yang lama, dan respons yang lambat [33]. Sebaliknya, baterai litium, yang mungkin tidak memiliki kemampuan-jarak jauh, dapat menghasilkan keluaran daya yang lebih tinggi, sehingga memberikan kemampuan respons dinamis yang ditingkatkan, khususnya selama transien daya-tinggi seperti saat UAV dengan cepat beralih dari fase jelajah ke fase melayang atau turun [34]. Oleh karena itu, dalam skenario seperti itu, menggabungkan baterai lithium dengan sel bahan bakar untuk membentuk sistem propulsi hibrida adalah strategi yang layak untuk mencapai kepadatan energi dan daya yang tinggi pada UAV [35]. Strategi pengelolaan energi yang efektif selanjutnya berkontribusi pada perluasan jangkauan dan ketahanan lingkungan UAV bertenaga sel bahan bakar hibrida [36,37]. Oleh karena itu, untuk UAV sel bahan bakar berdaya rendah, penggunaan sel bahan bakar berpendingin udara yang dicampur dengan baterai litium adalah solusi yang dapat menyeimbangkan jangkauan maksimum dan waktu respons.

Dari penjelasan di atas, jelas bahwa sel bahan bakar hidrogen dan{0}}ekonomi dataran rendah semakin menjadi titik fokus perhatian global. Sel bahan bakar hidrogen, dengan kepadatan energinya yang unggul, muncul sebagai solusi untuk mengatasi kekurangan UAV bertenaga baterai litium-dan mendorong dekarbonisasi dalam industri penerbangan. Namun, meskipun UAV bertenaga baterai litium-kurang memiliki daya tahan dalam aplikasi praktis, yang menunjukkan bahwa kepadatan energi sel bahan bakar lebih tinggi dibandingkan baterai litium, sebagian besar penelitian saat ini berkonsentrasi pada strategi manajemen energi UAV bertenaga sel bahan bakar. Strategi ini menggunakan permintaan daya-waktu nyata sebagai masukan untuk mendapatkan skema alokasi daya untuk berbagai sumber daya menggunakan algoritme. Hal ini tidak jauh berbeda dengan penelitian strategi manajemen energi yang sebelumnya dilakukan oleh tim kami pada kendaraan bertenaga sel bahan bakar [38,39]. Karena tidak adanya aksesori yang rumit, baterai litium sering kali memiliki keunggulan dalam rentang daya yang lebih kecil. Saat ini, terdapat kekurangan literatur mengenai ambang batas di mana sistem propulsi hibrida sel bahan bakar mengungguli sistem propulsi baterai litium.

Dalam studi ini, ada dua permasalahan yang sering diabaikan dalam studi sebelumnya tentang UAV bertenaga sel bahan bakar-yang menjadi fokus. Pertama, untuk model dan profil penerbangan tertentu, sebuah metode diusulkan untuk menghitung kondisi batas untuk mengganti sistem propulsi baterai litium dengan sistem propulsi hibrida sel bahan bakar, dengan menentukan kisaran sel bahan bakar yang lebih sesuai untuk aplikasi UAV. Kedua, aspek unik dari skenario penerapan UAV sel bahan bakar dianalisis; Yang paling penting adalah dampaknya terhadap sisi permintaan listrik.

Salah satu prasyarat untuk merumuskan strategi pengelolaan energi dengan menggunakan-permintaan daya real-time sebagai masukan adalah memahami variasi permintaan dan pasokan daya untuk UAV di berbagai lingkungan, yang merupakan kondisi batas untuk proses perumusan strategi. Dalam aplikasi praktisnya, UAV yang beroperasi di ketinggian biasanya memerlukan lebih banyak energi untuk mempertahankan kestabilan penerbangan karena perubahan suhu lingkungan dan kepadatan udara [40]. Selain itu, dampak perubahan ketinggian pada pendinginan sel bahan bakar memerlukan perhatian lebih lanjut [41]. Ozbek dkk. [42] menekankan perlunya mempertimbangkan kebutuhan daya UAV dan perubahan suhu secara bersamaan untuk memastikan koordinasinya. Sistem sel bahan bakar terletak di dalam badan pesawat UAV, yang secara langsung menarik udara sekitar dari luar, yang secara langsung dipengaruhi oleh faktor lingkungan eksternal. Di satu sisi, penurunan kepadatan udara menyebabkan peningkatan kebutuhan daya UAV, yang mengakibatkan peningkatan pelepasan panas dari tumpukan sel bahan bakar. Secara bersamaan, laju pembuangan panas tumpukan sel bahan bakar dapat bervariasi seiring dengan perubahan lingkungan, dan udara tipis mengurangi koefisien perpindahan panas konvektif. Namun, penurunan suhu eksternal meningkatkan perbedaan suhu antara tumpukan dan lingkungan, yang membantu meningkatkan pertukaran panas antara tumpukan dan lingkungan.

Makalah ini membatasi objek penelitiannya pada UAV heksakopter dengan berat lepas landas maksimum (MTOW) sebesar 25 kg dan mengeksplorasi dampak ketinggian terhadap UAV bertenaga sel bahan bakar. Dalam merumuskan strategi manajemen energi, pendekatan yang diambil adalah memaksimalkan keluaran sistem propulsi sel bahan bakar sekaligus memungkinkan baterai litium merespons kebutuhan daya dengan cepat daripada merancang strategi untuk menggunakan seluruh energi yang tersedia atau memaksimalkan jangkauan. Melalui tinjauan literatur, pemodelan Simulink, dan simulasi ANSYS, penelitian ini bertujuan untuk memperjelas kisaran penggunaan sel bahan bakar pada UAV sebagai pilihan yang lebih ekonomis, memahami batasan penerbangan maksimum UAV bertenaga sel bahan bakar dengan massa berbeda, memahami tantangan yang ditimbulkan oleh skenario aplikasi unik untuk UAV bertenaga sel bahan bakar, dan mengidentifikasi kemungkinan solusi.

Sisa dari makalah ini disusun sebagai berikut. Bagian 2 Metode untuk memodelkan kebutuhan daya UAV, 3 Metode untuk merancang dan mencocokkan sistem propulsi, 4 Metode untuk menghitung rasio stoikiometri udara untuk pembuangan panas menyajikan metode untuk menghitung kebutuhan daya UAV, mencocokkan sistem propulsi UAV bertenaga sel bahan bakar dan menghitung aliran udara yang diperlukan untuk mendinginkan sel bahan bakar. Hasil simulasi dibahas pada Bagian 5. Terakhir, pembahasan dan kesimpulan disajikan pada Bagian 6.