Drohnen Wasserstoff-Brennstoffzelle versorgt Drohnen für humanitäre Zwecke

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Doosan Mobility Innovation (DMI) liefert humanitäre Güter an entlegene Orte und nutzt für den Antrieb innovative, mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen.

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Fliegt mit Wasserstoff: Diese Drohne liefert für die Notversorgung benötigte medizinische Mittel zu den Jungferninseln. Ermöglicht wird dies mit einer mit wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle, womit eine Flugzeit von zwei Stunden erreicht wird. Dies ist viermal länger als bei den meisten batteriebetriebenen Drohnen.
Fliegt mit Wasserstoff: Diese Drohne liefert für die Notversorgung benötigte medizinische Mittel zu den Jungferninseln. Ermöglicht wird dies mit einer mit wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle, womit eine Flugzeit von zwei Stunden erreicht wird. Dies ist viermal länger als bei den meisten batteriebetriebenen Drohnen.
(Bild: Doosan Mobility Innovation)

Doosan Mobility Innovation (DMI) liefert humanitäre Güter an entlegene Orte und nutzt für den Antrieb die ersten kommerziellen, mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen. Mit einer Flugzeit von zwei Stunden transportierten die Drohnen Masken und für die Notversorgung benötigte Mittel zwischen den Jungferninseln und automatische, externe Defilibratoren auf den Hallasan, den mit 2100 m höchsten Berg Südkoreas auf der Insel Jeju. Diese Technologie ebnet den Weg für die Entwicklung mobiler Roboter mit erweitertem Einsatzbereich und höherer Nutzlast.

Durch die verlängerten Flugzeiten konnten diese Drohnen auch in kommerziellen Anwendungen eingesetzt werden. Ein Beispiel ist die Überwachung von riesigen Solarfeldern (Bild 1) wie der größten Solarfarm Koreas in Solasido, Haenam. Beim Einsatz batteriebetriebener Drohnen hätte man dabei die Batteriesätze sechs Mal austauschen müssen.

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Hochkompaktes Power Design für eine optimale Leistung

Die Entwicklung einer mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle für mobile Einsatzzwecke erfordert ein hohes Maß an technologischer Innovation, vom Material bis hin zu einer Optimierung des gesamten Systems. Schlüssel für die Mobilität sind Miniaturisierung, höherer Wirkungsgrad und Gewichtsreduzierung.

Zusätzlich benötigt man für einen langen und stabilen Flug eine hohe Energieausbeute sowie eine entsprechende Langlebigkeit. Für eine Systemoptimierung muss das Gewicht der Zelle minimiert werden, die gesamte Leistungsversorgung möglichst kompakt aufgebaut sein und das Design der kompletten Einheit inklusiver peripherer Komponenten möglichst einfach realisiert werden.

Herzstück der Entwicklung waren der Aufbau und die Implementierung der gesamten Stromversorgung. Das DP30 Power Pack besteht aus zwei Versorgungssträngen, einen für die Motoren, welche die Rotoren antreiben, und einen weiteren für die Kontrolle der beiden Zellen. Deren Ausgangsspannungen variieren im Bereich von 40 bis 70 V und die beiden Versorgungsstränge benötigen geregelte Spannungen von 48 V/12 A für die Motoren sowie 12 V/8 A für Zellencontroller und Lüfter.

Um hohen Wirkungsgrad und maximale Leistungsdichte zu erzielen, setzte DMI die PRM-Buck-Boost- sowie einen ZVS-BuckRegler von Vicor ein. Das PRM verträgt die Leerlaufspannung der Brennstoffzellen von bis zu 74 V und erzeugt eine geregelte Spannung von 48 V (Bild 4).

Im Antrieb der Rotoren werden zwei PRM-Buck-Boost-Regler (PRM48AF480T400A00) parallel geschaltet um den benötigten Storm von 12 A zu liefern. Die Versorgung des digitalen Kontrollers nutzt ein PRM (PRM48AH480T200A00) mit weniger Leistung, dem ein 48-V-auf-12-V-ZVS-Buck-Regulator (PI3546-00-LGIZ) nachgeschaltet ist.

Erweiterung der Produktlinie je nach Leistung

Zusätzlich zu dem momentan produzierten 2,6-kW-Leistungsmodul DP30 plant DMI eine Erweiterung der Produktlinien mit verschiedenen Leistungen. Geplant sind Bereiche von dem voraussichtlich nächstes Jahr verfügbaren 1,5-kW-Wasserstoff-Brennstoffzellen-Element bis hin zu Leistungen von 10 kW. Die entsprechenden Drohnen werden dann ebenfalls verfügbar sein.

Der modulare Ansatz für die Stromversorgung von Vicor ermöglicht diese Skalierbarkeit sowie die verschiedenen Produktlinien. Dadurch kann DMI sich auf die Lösung anderer Entwicklungsaufgaben konzentrieren, die sich bei einer Leistungserhöhung ergeben. Dazu zählen Änderungen bei der Struktur der Zellen, Leistungspfade, periphere Komponenten sowie Methoden für die Entwärmung. Durch den Einsatz der Vicor Produkte kann DMI sich auf die wichtigsten Ziele konzentrieren: erhöhte Lebensdauer und Stabilität sowie Verkleinerung und Gewichtsreduzierung von Brennstoffzellen mit hoher Energiedichte.

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