Con le fuel cell il multirotore vola per 4 ore e mezza

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Di Giancarlo Comes

Per la precisione 4 ore, 35 minuti e 12 secondi. E’ il record mondiale stabilito da MMC-UAV Solution di Shenzen, la Silicon Valley dei droni cinesi. Con un segreto: le celle a idrogeno per dare corrente ai motori.

Intelligent_Energy_Drone_FINAL 2Immaginate un APR Multirotore in grado di volare per diverse ore, che si ricarica in pochi minuti, resistente all’acqua e alla polvere, in grado di svolgere missioni con percorsi chilometrici e con tutte le funzioni “must-have” come GPS, atterraggio automatico, coming-home ecc.. Impossibile? No, infetti alla “MMC-UAV Solutions” non ci hanno mai creduto, e così a Shenzen in Cina si fanno quasi miracoli utilizzando come unici ingredienti aria ed idrogeno, che permettono di creare APR in grado di rimanere in hovering per 4 ore, 35 minuti e 12 secondi (record mondiale 2016), realizzati con tutte le moderne tecnologie ma con una marcia in più: le Fuel-Cell.

HyDrone è quello che forse sarà il futuro dei droni e non solo, perché la tecnologia utilizzata per il sistema propulsivo, ovvero le celle a combustibile, è fonte di interesse per molti costruttori di automobili, Toyota in primis, i quali puntano a rendere accessibile una tecnologia che consente la produzione di energia elettrica sfruttando la reazione elettro-chimica tra idrogeno e ossigeno, che, ad impatto zero, permette di risolvere tutti i problemi di autonomia e ricarica di cui soffrono i veicoli elettrici, volanti e non. Naturalmente i miracoli non esistono, soprattutto in ingegneria, dove ogni cosa deve essere pagata con un certo “prezzo”, nel caso particolare delle Fuel-Cell questo dazio è rappresentato dal costo e dalla difficoltà nel reperire e stoccare il “combustibile” utilizzato per la reazione, ovvero l’idrogeno.

HYDRONE, IL PIONIERE DEI DRONI AD IDROGENO

Ancora una volta l’avanguardia tecnologica in materia di Droni, e non solo, ha base a Shenzen, quartiere industriale della operaia Cina, è qui infatti che è stato sviluppato il progetto “HyDrone” da parte della MMC-UAVs, piccola impresa dedita alla costruzione di mezzi APR per applicazioni industriali che ha fatto un significativo passo oltre lo standard attuale, rivoluzionando il sistema propulsivo per Multicotteri introducendo le Fuel-Cell e arrivando a creare HyDrone-1800, un Esarotore che ha segnato il record mondiale di Hovering ad Aprile 2016, rimanendo a mezz’aria per 4 ore e 33 minuti (per chi ha mooolto tempo da perdere ecco il video integrale):

La MMC è una realtà imprenditoriale che vanta ben 30 ingegneri nel solo Team di ricerca e sviluppo e da 6 anni ormai si occupa di applicazione delle Fuel-Cell agli APR. Da Shenzen il responsabile tecnico della MMC ci dice che quella dei Multirotori è una tecnologia “nuova che ha tre colli di bottiglia”, ovvero tre campi nei quali è ancora immatura e può essere sviluppata, questi sono: il flight-time; il controller di volo; la trasmissione video a terra. Sostanzialmente i controller di volo devono essere migliorati per essere più precisi e soprattutto affidabili, oltre a garantire gli adeguati standard di sicurezza in volo, basta vedere quanti passi ha fatto la DJI negli ultimi 5 anni su questa strada per rendersi conto di quanto si sia fatto e quanto ancora ci sia da fare. Per quanto riguarda la trasmissione video bisogna invece lavorare sulla pulizia ed il raggio di azione del segnale, perché un APR che può volare 4 ore non è utile se non può operare coprendo grandi distanze per via della portata di segnale limitata. Infine la limitazione più grande: il tempo di volo.

Il primo test in volo del drone a idrogeno

Il primo test in volo del drone a idrogeno

La MMC, ha lavorato molto per l’ottimizzazione degli APR alimentati a batterie LiPo, come ci racconta Ivy, il responsabile che ha risposto alle nostre domande, quando ci parla del Drone A6-PLUS dicendo: “noi realizziamo quasi ogni parte hardware dell’APR, dal telaio in fibra di carbonio alle eliche, dai motori al flight-controller, e siamo riusciti ad ottenere un endurance di 70 minuti con il nostro A6, che scendono a 35 quando il mezzo trasporta 5kg di payload” (si riferisce al tempo di Hovering). Purtroppo però a 35 minuti di tempo di volo si è al limite di quello che si può fare con le LiPo, in quanto al crescere della capacità dei pacchi cresce anche il peso, fin quando non si arriva al punto che i motori lavorano solo per sostenere le batterie. Per questo motivo la MMC ha lavorato per eliminare il collo di bottiglia dell’endurance rivoluzionando il sistema di alimentazione tradizionale per APR e realizzando il suo Drone ad Idrogeno di prima generazione, l’HyDrone-1550: un esacottero alimentato a Fuel-Cell capace di 150 minuti di Hovering senza payload. Ivy racconta che “prima del progetto HyDrone abbiamo provato altre soluzioni mantenendo le LiPo, cercando di alleggerire il telaio, ottimizzare le accoppiate motore-elica ed altro ancora, ma senza risultati degni di nota, invece con le Fuel-Cell tutto è cambiato”.
Ma cosa ha fatto scattare l’idea di abbandonare le LiPo per le Fuel-Cell? “Sostanzialmente”, riprende Ivy, “per via della nostra clientela, noi lavoriamo per l’esercito e per molte compagnie petrolifere e della produzione di energia elettrica, i quali ci chiedevano un APR in grado di percorrere lunghe distanze e volare per molto tempo senza fermarsi, un mezzo adatto all’ispezione di grandi aree ed alla sorveglianza di frontiera, ma che fosse silenzioso, maneggevole e preciso, per questo abbiamo sviluppato un Multirotore con moduli di comunicazione a lungo raggio e tempo di volo superiore alle 2 ore in condizioni operative, e l’unica maniera di dargli l’energia sufficiente era con le Fuel-Cell”.

Inutile dire che HyDrone-1550 ha conquistato molte aziende in Nuova Zelanda, Alaska e Cina, dove sono concentrati i maggiori clienti della MMC, tanto che attualmente l’azienda di Shenzen è alla seconda generazione del suo HyDrone, che nel 2016 è diventato HyDrone-1800, con un sistema a Fuel-Cell migliorato rispetto al 1550 e che garantisce tempi di Hovering superiori a 260 minuti, e la MMC non si ferma qui, infatti “attualmente è in corso di sviluppo la terza generazione di APR ad Idrogeno, che presenterà soluzioni innovative sul controller di volo, per meglio gestire sia la performance di volo, in modo da esaltare la durata ottimizzando i consumi, sia la sicurezza in volo”, sicurezza in volo che già è ad un buon livello, infatti HyDrone dispone, tra le altre cose (ridondanza, paracadute, terminatore di volo), anche di una linea di comunicazione Drone-Terra criptata anti-intrusione, requisito, questo, imposto dai clienti militari alla MMC. Altre caratteristiche tecniche interessanti sono la resistenza alla polvere e all’acqua, che permettono all’APR HyDrone di poter operare in condizioni di pioggia e sporco. Per quanto riguarda il Power-System a Fuel-Cell che equipaggia il drone ad Idrogeno della MMC si evince dalla scheda tecnica disponibile online che la potenza massima è pari a ben 1800W, con un range di voltaggio che va da 33.3V a 60V e che per le Fuel-Cell dipende dalla potenza erogata: infatti a differenza delle batterie che perdono voltaggio in maniera progressiva via via che si scaricano, una cella a combustibile ha un voltaggio a vuoto dipendente dallo Stack (da quante celle elementari sono collegate in serie) e sotto carico dipendente dalla potenza erogata, per cui per esempio se erogando 1000W lo Stack ha un voltaggio operativo di 40V, allora mantiene quei 40V fino a che la bombola di H2 non si svota e finisce il combustibile.

1000 ore prima di cambiare le celle

La MMC dichiara che le loro Fuel-Cell hanno una vita media di 1000 ore prima di dover essere sostituite, quindi una buona affidabilità, se pensiamo infatti che con una LiPo si fa una scarica in 15 minuti mediamente, allora le mille ore corrispondono a circa a ben 4000 scariche! Molto più della vita media di una LiPo che è circa 500 / 1000 scariche. La bombola in composito di HyDrone ha una capacità di 9 litri perun peso a secco di 3 kg e secondo il costruttore si ricarica in circa 5 minuti se si dispone di un compressore, altrimenti anche 40 minuti se lo si fa da una bombola ausiliaria o da rete (dove disponibile). Infine è bene osservare che il mezzo dispone comunque di una batteria LiPo 9S da 3300 mAh ausiliaria, la quale serve a far atterrare il mezzo in sicurezza in caso di un malfunzionamento all’impianto delle celle, le quali possono essere conservate in piena sicurezza senza particolari accorgimenti quando non sono in uso, cosa che non è vera per le LiPo, data la loro pericolosità.

La MMC assiste il cliente a 360° con HyDrone, questo perché una tecnologia come quella delle Fuel-Cell non è facile da gestire come la ricarica delle batterie, è per questo che “il cliente è assistito con un corso preliminare sul volo e la corretta ricarica della bombola di H2, inoltre è istruito sulla tecnologia delle Fuel-Cell, sulle quali non forniamo assistenza e riparazione” afferma Ivy, lasciando capire che chi acquista HyDrone non deve preoccuparsi praticamente di nulla se non del pagamento, che, vista la non risposta dell’azienda alla domanda sui costi di HyDrone, si intende sia abbastanza cospicuo, considerando il costo della tecnologia e quello del Customer-Care.

COSA SONO LE FUEL-CELL

STACK FUEL CELL PER DRONILa parola vuol dire letteralmente “Cella a Combustibile” e fa riferimento a delle celle, esattamente come quelle delle batterie elettriche, che erogano una potenza elettrica ad un voltaggio nominale, però, e qui la differenza sostanziale, non scaricano una energia prima accumulata durante la ricarica, ma la producono sul momento, tramite una reazione elettro-chimica tra idrogeno, che è l’agente ossidante, e l’ossigeno, che invece è l’agente riducente. Il vantaggio è che, fino a che ci sono idrogeno e ossigeno disponibili, la cella continuerà ad erogare energia ad oltranza, nei limiti delle sue caratteristiche operative in relazione alla richiesta; se finisce il combustibile, l’idrogeno, allora la cella non funzionerà più e per “ricaricarla” basterà riempire di nuovo il serbatoio, l’ossigeno infatti è contenuto nell’aria ambiente, e di quella ce n’è a non finire.

Schematicamente una cella a combustibile è composta da tre elementi fisici: due elettrodi ed uno strato intermedio di materiale permeabile agli ioni ed isolante elettricamente detto elettrolita. Questi tre elementi hanno forma paragonabile ha un foglio e sono assemblati in maniera sovrapposta, con l’elettrolita che divide gli elettrodi, per cui la struttura finale della cella è quella di un sistema a tre fogli sovrapposti il cui spessore complessivo è generalmente di un millimetro circa.

FUNZIONAMENTO DELLE FUEL CELLCome si vede nella rappresentazione schematica di una PEMFC ad idrogeno, il combustibile (H2) arriva all’elettrodo con polo positivo, che è l’anodo, qui l’H2 si scinde in 2 ioni positivi (H+) più 2 elettroni (e-), gli ioni passano attraverso l’elettrolita, mentre gli elettroni viaggiano nel circuito elettrico dando energia ai sistemi ai quali la cella è collegata (luci, motori e ogni altra cosa del mezzo alimentata a corrente elettrica), gli elettroni tornano poi al polo negativo, il catodo e qui si ricongiungono agli ioni e alle molecole di ossigeno (O2) per chiudere la reazione, questo spiegato in parole semplici, poiché in realtà la chimica delle Fuel-Cell è più complessa e comprende cose come “l’energia libera di Gibbs”. Dunque per farla breve: la cella usa l’idrogeno non come combustibile ma come semplice vettore energetico, infatti l’H2 non brucia! Non vi è nessuna combustione nella cella e come prodotti della reazione Ossigeno-Idrogeno abbiamo acqua di scarto più calore da smaltire più energia lettrica da sfruttare.

Vi sono molti tipi di Fuel-Cell, che si differenziano per il tipo di elettrodi ed elettrolita e per il combustibile utilizzato, che può essere si idrogeno ma anche gas naturale, metanolo o combustibili fossili. Naturalmente il maggiore interesse è per l’H2 perché è rinnovabile e il suo uso è a impatto zero. Il tipo di Fuel-Cell che maggiormente si presta ad essere utilizzato su mezzi di trasporto, per via della sua compattezza, leggerezza ed elevata efficienza, è quello che si indica con la sigla PEMFC, ovvero Polymer Electrolite Membrane Fuel Cell, cioè la cella con elettrolita in materiale polimerico (plastico) il cui nome commerciale è “Nafion” ed è un polimero particolarmente adatto per le celle a combustibile e vedremo più avanti perché. Le PEMFC hanno un voltaggio operativo a vuoto di circa 1 volt e, per quanto possa sembrare poco, è uno dei più alti rispetto alle atre tipologie, inoltre la loro efficienza media raggiunge anche il 50% e, grazie alla costruzione leggera ed al ridottissimo spessore della cella, si possono assemblare pacchi, chiamati “Stack”, con ingombro poco superiore a due pacchi LiPo 6S e con voltaggi da 35 a 40V e con contenuti energetici di più di 1800 Wh, circa 8 volte l’energia disponibile con 2 LiPo 6S da 5000 mAh collegate insieme! Tuttavia le PEMFC pagano rispetto alle LiPo in termini di rapporto potenza/peso, poiché una LiPo 6S 5000mAh da 30C riesce a generare 3000W di potenza con circa 1kg di peso, le PEMFC si fermano a 1000W/kg.

TUTTO FANTASTICO? SI, MA…

Per quanto le Fuel-Cell siano una tecnologia meravigliosa per la soluzione dei problemi di autonomia e ricarica del veicoli elettrici e per quanto l’H2 sia un combustibile rinnovabile e ad impatto zero (di fatto le Fuel-Cell emettono solo acqua sotto forma di vapore dal loro “tubo di scarico”), vi sono due fondamentali problemi che fino ad ora hanno molto scoraggiato lo sviluppo di questa tecnologia: il costo delle Fuel-Cell e la produzione e stoccaggio dell’H2. Affinché la reazione elettrochimica nella cella possa avvenire bisogna che gli elettrodi siano realizzati con materiali a forte contenuto di platino, che è un metallo molto costoso e prezioso, ed anche la membrana elettrolitica in Nafion delle PEMFC è anch’essa costosa, ne consegue che ad oggi il prezzo medio di una PEMFC è di circa 2600€ per ogni kW di potenza, contro i 35€ di un tradizionale motore a combustione interna per autoveicoli. Il problema dell’Idrogeno poi è bivalente, infatti produrlo costa parecchia energia, addirittura se lo si produce con energia elettrica proveniente da centrali a carbone o anche a ciclo combinato, a livello di emissioni costa più produrre 1kg di H2 che quello che quel kilogrammo può far risparmiare con il suo utilizzo, quindi alla fine il bilancio ambientale sarebbe negativo. L’’unica strada è produrlo con energia proveniente da fonti rinnovabili (eolico, fotovoltaico, idroelettrico ecc..) Poi vi è il problema dello stoccaggio: l’Idrogeno può essere conservato liquido solo a temperature vicine allo zero assoluto, quindi praticamente solo lo stoccaggio gassoso è fattibile, però anche questo richiede pressioni enormi, perché l’H2 è molto leggero, quindi bisogna costruire bombole massicce e pesanti se si fanno in acciaio, cosa che limita molto il rapporto potenza/peso, e poi per stoccare una quantità accettabile di H2 bisogna comunque realizzare bombole voluminose, e questo è un altro fattore limitante, basti pensare che una bombola di H2 gassoso per auto che contiene 10 kg di combustibile pesa circa 120 kg perché deve reggere 300 bar di pressione.

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FUEL CELL PER DRONI

maxresdefault (1)Sostanzialmente il tipo di cella che si presta ad applicazioni veicolistiche con netti margini di vantaggio e sviluppo è la PEMFC. Recentemente sono in fase di sviluppo e produzione diversi modelli di APR alimentati con queste celle, tutti con tecnologia molto simile, sono infatti generalmente multicotteri a 6 oppure 8 rotori, equipaggiati con Stack da 45V e potenza massima di circa 1000W, con bombola di H2 da 120 a 150 grammi di capacità a 350 bar, ovvero da circa 4 litri di volume, e autonomie di hovering da 150 fino a ben 260 minuti con 5kg di payload!  Molte aziende stanno scommettendo su questa tecnologia, da piccole imprese tecnologicamente all’avanguardia come la cinese MMC-UAVs fino al colosso australiano Boeing, come riportato qualche mese fa dalla emittente statunitense BBC, la quale ebbe accesso all’area dove si stavano svolgendo i test sul drone ad Idrogeno che si vede in foto qui sotto:

Ma come è possibile l’applicazione di una tecnologia così complessa ad un Multirotore? Come si risolvono i problemi di ingombri, gestione, stoccaggio di H2, ricarica e il resto? La risposta ad ogni lecito dubbio c’è, ma andiamo con ordine. Innanzitutto le Fuel-Cell per Droni possono avere ingombri molto ridotti, tanto da non occupare più delle LiPo tradizionali e stare nel palmo di una mano, questo perché le PEMFC sono molto compatte e assemblare uno Stack da 45V o anche meno, come quelli richiesti per applicazioni su APR, richiede volumi di ingombro più che ragionevoli, con un peso dello Stack compreso tra 1kg e 1.5kg. Per quanto riguarda la bombola di H2 si ricorre ai materiali compositi, infatti una in acciaio peserebbe troppo e vanificherebbe tutti i vantaggi. Le bombole in composito consentono di tenere la tara sotto i 2 chili e resistere a pressioni superiori a 300 bar, tuttavia il loro costo è molto più elevato di quelle in acciao, infatti se queste hanno un costo di circa 4€ per litro, quelle in composito costano ben 20€ per litro. Per quanto riguarda la ricarica questa avviene attraverso il riempimento della bombola scarica, una operazione che può essere svolta sul campo e che richiede solo pochi minuti, basta essere attrezzati con una bombola di H2 da campo, che si possono noleggiare presso aziende produttrici di gas medicali per esempio, e il costo è pari a pochi euro per chilo, quindi se si pensa che l’APR riesce a volare per ore con solo 120 grammi a bordo, si comprende il netto vantaggio rispetto alla ricarica delle batterie, senza contare il fatto che non si ha bisogno di una linea di corrente per la ricarica, quindi si possono svolgere operazioni sul campo anche in zone non fornite da elettricità.

Attualmente i sistemi Fuel-Cell per Droni sono sistemi che comprendono uno o due Stack come quello che si vede in figura qui sotto più una bombola di H2 da 5 litri.

Le Fuel-Cell gestiscono autonomamente sia l’apporto di H2 attraverso una valvola parzializzatrice, sia quello di aria attraverso una apposita ventola. Si tratta dunque di sistemi indipendenti che hanno come ingresso la condotta di idrogeno dalla bombola e come uscita i cavi di corrente, e il cui maggior difetto è l’ingombro abbastanza elevato, tuttavia il peso abbastanza contenuto unito alla costanza della scarica e all’elevato contenuto energetico rendono accettabile questa caratteristica di svantaggio rispetto alle batterie LiPo tradizionali.

UNO SGUARDO AL FUTURO

hydro-1800Per quanto l’applicazione delle Fuel-Cell sulle automobili stenta a partire, per via di una serie di problemi tecnici legati all’attrezzaggio di una rete di distribuzione dell’H2 e dei costi del sistema, questi problemi diventano facilmente superabili per applicazioni su APR, per via del fatto che la potenza installata è bassa (meno di 1500W) e la bombola di H2 necessario è piccola e poco pesante. Si stima che il costo di un impianto a Fuel-Cell per APR come quello di HyDrone costi non più di 5000€, una cifra si superiore nettamente alle LiPo, ma che dati i vantaggi prestazionali di fatto diventa appetibile, poiché consente all’APR di svolgere compiti altrimenti impossibili per uno alimentato a batteria. La ricarica della bombola costa solo pochi minuti e meno di 4€ (costo dell’Idrogeno immagazzinato), cosa che non solo abbatte i tempi di stallo a terra del mezzo, ma che di fatto permette un sostanzioso incremento dell’autonomia dello stesso, molto limitata proprio dai tempi di ricarica delle LiPo. Inoltre se l’Idrogeno per la ricarica del Drone è prodotto con energia proveniente da fonte rinnovabile, come la quasi totalità dell’H2 a basso costo per usi industriali o medicali, l’impatto ambientale complessivo si riduce tantissimo, cosa che non è vera per l’alimentazione a batterie, per ricaricare le quali si immettono nell’atmosfera 500 grammi circa di CO2 per ogni kWh consumato durante la ricarica (se l’elettricità non è prodotta da fonte rinnovabile).

Detto questo e considerato quanto visto, possiamo concludere che l’applicazione delle Fuel-Cell ai Droni è già abbastanza vantaggiosa e nel prossimo futuro rappresenterà la strada maestra per gli APR professionali, si stima infatti che lo sviluppo delle Fuel-Cell, spinto dall’interesse del settore Automotive, consentirà di ridurre i costi degli Stack, incrementare la loro potenza specifica ed efficienza e rendere più accessibile ed user-friendly tale tecnologia. Già molti passi si stanno facendo in questa direzione, infatti una recente ricerca della Whashington State University ha consentito lo sviluppo di un nano-materiale innovativo che permette la drastica riduzione dei tempi di fabbricazione delle celle a combustibile, rendendo possibile la produzione industriale a ritmi sostenuti e quindi costi più bassi. Non è fantascienza quindi l’ipotesi per la quale da qui a 10 anni le Fuel-Cell per droni (e non solo) saranno più potenti, meno costose e meno ingombranti, in grado di far volare i nostri APR per ore con pochi grammi di H2 a bordo e permettere così il superamento del loro più grande limite: l’autonomia, se si conta poi anche l’impatto ambientale notevolmente basso di tale tecnologia, la quale avrà da dire la sua anche nel campo della produzione di energia elettrica, viene fuori una gran bella prospettiva.

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