Pontificia Universidad Católica de Chile
Facultad de Ingeniería – Departamento de Ingeniería de Minería
Tecnologías del Hidrógeno
Tarea 1
Plazo: 12 de mayo a las 23:59 horas por Canvas.
Como se ha discutido en extenso en este ramo, el hidrógeno verde (H2V) posee ventajas comparativas
para medios de transporte eléctricos en comparación con sistemas de baterías eléctricas. En esta tarea
diseñarás para un tipo de medio de transporte específico, pero estos mismos pasos aplican para cualquier
otro sistema en términos generales; vehículos de ciudad, trenes, camiones, barcos, aviones. Es decir,
aplicarás y aprenderás una metodología general. Realiza todos los supuestos que consideres necesarios.
No falta ningún dato.
El desafío es este; diseñar las bases de un sistema de drones a hidrógeno para transporte de pasajeros
que haga la ruta Santiago (Campus San Joaquín)-Curacaví. El objetivo de esta tarea es determinar el
consumo de hidrógeno, la configuración del sistema de potencia fuel cell/batería y el requerimiento de
almacenamiento y carga para un dron para transporte humano en base a hidrógeno.
El perfil de la ruta es; un viaje de ida y otro de vuelta, de lunes a viernes, durante todo el año.
El dron tiene cuatro motores que en total suman 100 kw. El equipo (sin pasajero) pesa 70 kg. Asume un
peso de 70+X kilos para el pasajero. Donde “X” es el último dígito de tu teléfono celular registrado en el
grupo de wasap (que debes dejar indicado).
Asume una velocidad de viaje constante e instantánea de 100 kmph.
Te recomendamos hacer todos estos cálculos en Excel porque deberás iterar al menos una vez.
Resuelve:
1. Determina el consumo de hidrógeno diario y semanal necesario para realizar este viaje. Asume que el
consumo de trabajo útil puede estimarse con las siguientes relaciones;
a. La energía cinética (considera que el dron acelera una sola vez desde el Campus hasta Curacaví). Esto
sería el conocido mantra; un medio de la masa por la velocidad al cuadrado.
b. La energía demandada por la resistencia aerodinámica, la que puede ser determinada mediante;
1
𝑇 𝑣2
2 𝑎𝑖𝑟𝑒
Donde 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 es masa de aire de un tubo con una sección frontal de 1 m2 y un largo D, donde D es la
distancia en línea recta de Santiago a Curacaví (determínala). Asume la densidad del aire que corresponda.
En otras palabras, 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 es la masa de un tubo de aire de largo D y sección de 1 m2.
c. La energía de sustentación, que es la energía suficiente para que el dron con el profesor se mantenga
suspendido en el aire. Para esto, se necesita que los motores funcionen al 65% de capacidad todo el
tiempo. Es decir; energía igual a potencia por tiempo. Desprecia la energía gastada en subir hasta una
altura cualquiera.
Considera despreciable la energía potencial para tus cálculos.
Con todo lo anterior y usando las eficiencias respectivas ya puedes calcular la cantidad de hidrógeno que
necesitas.
2. Determina el tamaño de electrolizador necesario para producir ese hidrógeno diariamente asumiendo
que el dron se usa cada día a las 8.30 am (Curacaví-Santiago) y vuelve a las 7 pm (Santiago-Curacaví).
3. Determina con lo anterior el peso de tanques que será necesario para esa cantidad de hidrógeno
gaseoso (asume que el hidrógeno debe cargarse sólo en un punto, en Curacaví, para que pueda hacer un
ciclo de ida y vuelta de autonomía). Asume que no tienes restricción de presupuesto. ¿Qué tipo de tanques
elegiste? Para lo anterior debes elegir una presión de almacenamiento. ¿Qué presión elegiste y por qué?
No hay respuesta buena o mala en este caso, pero sí debe estar justificado, indicando por ejemplo al
menos si cargará por cascada o con compresor, e indicando las implicancias en tiempo de repostaje para
este dron y su uso. Finalmente, determina el volumen total del sistema de almacenamiento incluyendo
piping, las distancias entre cada tanque, etc. (Usa el factor de 1.3 que sugerimos en clases)
4. Propone una configuración de batería/fuel cell, indicando la potencia que debe tener cada una. En esta
parte, no necesitamos que hagas un análisis detallado del perfil de consumo de potencia (algo que sí
tendrías que hacer si estuvieras por ejemplo haciendo una estimación para una ingeniería detallada). Lo
que te pedimos es que en base a benchmarking (modelos de drones voladores para carga pesada) anden
dando vueltas por ahí. O bien, usando como referencia otros equipos fuel cell que hayamos visto.
Con esa configuración, determina el peso de cada parte; la batería y la fuel cell. ¿Qué te parece?
5. En la pregunta 1 debiste haber asumido eficiencias, ¿no es verdad? ¿Qué valores usaste? La eficiencia
total en el dron depende también de cómo tienes configurado el sistema de potencia, es decir; ¿dejaste
la fuel cell conectada siempre a la batería y esta a los motores? Es decir, en ese caso, la energía de los
motores eléctricos siempre será obtenido de la batería. Eso implica que debes considerar la eficiencia de
carga y descarga de las baterías. Si no lo tenías pensado así, este es el momento para corregirlo. Por otro
lado, también podrías tener un sistema en que el motor eléctrico puede alimentarse tanto de la batería
como de la fuel cell. En ese caso, deberás asumir qué porcentaje del tiempo el dron está haciendo eso. En
esta parte, espero que te des cuenta entonces de las implicancias de esta configuración esencial de tu
sistema, y que a la vez depende del perfil de consumo de potencia de tu equipo, que en esta tarea no es
necesario resolver. Deja explícito entonces esa configuración e alimentación a los motores eléctricos en
esta pregunta.
Pregunta bonus track; si tienes buena esta pregunta (lo que implica a la vez tener bien todo lo anterior)
te llevarás 4 décimas de bono en la nota final del ramo. Determina el costo aproximado de inversión de
todo el sistema H2V; electrolizador, sistema de repostaje, sistema on board (tanques, fuel cell). Usa las
referencias que hemos visto en clases y otras que encuentres.
*Todas las bonificaciones de nota se hacen para casos de nota final mayor a 4.0.
Te dejo algunos links de drones para drones de pasajeros;
eHang 184
https://www.bbc.com/mundo/noticias-39029343
Y dale una mirada a este video, para no creas que esto es solo para startup´s con millones de dólares para
invertir;
https://www.youtube.com/watch?v=7eF5UrOl5p0