氢燃料无人机：离网去中心化 开启大规模运营新时代

Inside Unmanned Systems  与两家氢燃料解决方案提供商建立了联系，探索这种创新推进技术为无人驾驶机队提供的高能量、更长的飞行时间和更有效率的物流。国家氢战略推动氢能可持续发展。

根据美国能源部 (DOE) 国家清洁氢战略和路线图，到 2050 年实现整个经济体的净零排放需要能源基础设施的转型进步。该报告解释了清洁氢如何成为净零目标的关键推动者，因为它具有多功能性，并且有可能补充美国能源和排放密集型行业的其他清洁技术。这包括运输和物流领域，无人机和其他无人平台将在其中发挥越来越重要的作用。

美国能源部《商业起飞之路》报告中的第三方分析估计，到 2030 年，氢经济还可能通过新建资本项目和清洁氢基础设施带来 100,000 个新的直接和间接就业岗位。美国能源部于 2021 年启动的“Hydrogen Earthshot”计划，目标是将清洁氢的生产成本降低 80%，到 2031 年达到每公斤 1 美元。 

10 月，作为 Earthshot 计划的一部分，美国能源部宣布提供 4600 万美元的资金，以加速氢和燃料电池技术的开发。这笔资金将支持旨在降低成本、提高效率和扩大氢在从运输到工业应用等各个领域的使用的项目。要研究的主题之一是演示美国国产氢燃料电池动力客车。

美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆强调了这项投资的重要性，她说： 氢和燃料电池技术为减少碳排放和应对气候变化，同时推动清洁能源就业提供了一条变革之路。

清洁氢可以为传统能源网和天然气基础设施提供替代和备份。氢可以在电气化可能具有挑战性的地方储存和使用，而不仅仅是“电子到电子”的途径，例如电网到电池。这在无人机最常部署的危险或难以进入的环境类型中提供了显着的操作效率和灵活性。

如果通过更新法规开始大规模实现超视距，美国联邦航空局预计于 2025 年初发布评论，这将有助于扩大用于运输和供应链优化的新兴高级空中机动 (AAM) 应用的商业化。

在这种情况下，推动氢能发展可以为一个能力、可持续性和效率呈指数级增长的行业提供动力。虽然使用电池动力的排放足迹同样清洁，但氢不需要进一步对满负荷的电网施加压力，而且发展氢能带来的运营收益可能会导致整个运输/能源/物流生态系统的表现更加可持续。 

氢燃料电池给无人机带来显著运营效率Inside Unmanned Systems 采访了 Intelligent Energy 的 IE-Soar 无人机专用氢燃料电池套件产品经理 Andy Kelly。Andy Kelly说，从可持续发展的角度来看，氢能带来了显著的运营效率。 “氢燃料电池可以让无人机在一次加注的情况下运行更长时间，这意味着如果用户在现场制造自己的氢气，电源来自太阳能或风能等绿色能源。从本质上讲，燃料电池取代了电池，可以延长飞行时间到2-3小时，而电池只能飞行 15 到 30 分钟。飞行时间的延长开辟了海上风电场检查以及更高效的管道和电力线路检查等应用。壳牌石油公司是一个经典的案例研究示例——用氢无人机检查 200 英里长的管道， “他们可以在一天内完成整个任务，而电池无人机则需要多次停靠和更换电池。另一个例子是无人机检查公司 CyberHawk，他们在英国使用我们的燃料电池进行电力线路检查。在军事应用中，Zephyr Flight Labs 和 Aurora Flight Sciences 等公司正在其 ISR（情报、监视、侦察）平台中使用我们的燃料电池，使飞行能够持续 7-10 小时，而电池只能持续 2 小时。”

这意味着更少的停靠站、更少的人员需求以及单次飞行覆盖更多的地面。从规模上看，在车队运营中，氢气的影响大幅增长。可持续性效益与运营效率密切相关。运营商可以用更少的资源完成更多的工作，对于风能或太阳能检查等清洁能源行业，氢气使他们能够为整个能源生态系统做出更大的贡献。随着激光雷达等有效载荷变得更轻，无人机可以处理过去需要直升机才能完成的类似任务，而不会产生与有人驾驶飞机相关的排放、安全风险或高昂的运营成本。

Kelly称， “我们的目标功率水平 - 2.4 千瓦、1.2 千瓦和 800 瓦 - 基于长距离 LiDAR 测绘和 ISR 等无人机应用的常见要求。通过以客户反馈为中心，我们已经能够创建高度成熟且可靠的产品线。”

该公司生产的燃料电池可以在混合推进配置中工作，根据任务和有效载荷要求与其他能源协同工作。

他们的系统始终包含混合电池，因此如果燃料电池出现问题，电池会为其提供支持。

“燃料电池在能量密度方面表现出色，而电池则在功率密度方面表现出色。通过将两者结合起来，我们提供了一个可靠的电力系统。”

尽管目前增长速度缓慢，部分影响因素来自监管，但采用率正在增长。氢燃料无人机主要客户群来自哪里他们面对三个主要客户群：军事 ISR 平台设计师、商业平台设计师和拥有现有机队的商业运营商。 “我们的重点是向 Harris Aerial 和 Aurora Flight Sciences 等无人机制造商提供燃料电池组件，他们将燃料电池组件集成到机身中。还有CyberHawk 和 Ameren 等公用事业和检查公司这样的客户。”该公司不生产无人机机身，而是专注于燃料电池，因为他们认为最终用户通常有独特的需求——有效载荷、飞行时间、无人机尺寸和地区法规各不相同。 “我们不是设计一款通用型无人机，而是提供针对常见功率水平进行优化的燃料电池系统。这样，制造商就可以围绕我们的燃料电池进行制造，作为电池的直接替代品。”

燃料电池的使用寿命比电池长得多，约为 1,500 小时，而电池在每次循环时都会损失一些容量。首先，燃料电池的成本比电池高约 10 倍，但使用寿命长 10 倍，因此资本支出大致相等。

此外，用户还可以节省运营成本，因为系统需要更少的加注频率并提供更多的续航时间。随着未来规模的扩大，燃料电池预计将变得更加便宜。

随着法规的发展和对无人机的宽松，对扩展的自主无人机功能的需求将会增长。氢气似乎是无人机操作转变的理想选择。

凯利说， 他们在现场部署了数百个单位， “这些不是科学项目——它们是为现实世界使用而设计的强大、用户友好的产品。它们像电池一样通过一键操作运行，无需专门的燃料电池知识。许多人仍然没有意识到这些产品的实用性和可靠性。”德克萨斯州氢解决方案提供商 NovaSpark 的首席执行官 Rick Harlow 表示：我们对无人机和氢气结合带来的机会感到兴奋。 “以我们的一些合作伙伴关系为例。洛克希德·马丁公司等公司开发的无人机一次加注即可飞行长达 1,000 英里（仅使用约 200 克氢气）。这是令人难以置信的能量密度，这是一个主要优势。”NovaSpark 的技术专注于从空气中的水中生产氢气。他们的商业级大气制水机的运行方式与家用除湿机非常相似。这种方法直接从空气中提取纯水来产生氢气。它为运输燃料困难的偏远或具有挑战性的环境（无论是商业还是军事）提供了解决方案。Harlow  哈洛说，现场和按需制氢可以为无人机、超轻型车辆提供燃料，甚至支持电池供电的无人机和电动汽车的快速充电，氢相对于电池的优势包括更快的补充燃料。燃料箱平均可容纳约 200-400 克氢气，每 100 克氢气可提供大约一小时的飞行时间，具体取决于燃料电池的效率。加氢时间很短，大约三到六分钟，这使得无人机的运行时间更长。哈洛举的一个例子是搜救任务——飞往偏远山区并运送紧急物资。使用氢气，您可以获得更大的航程和有效负载能力，1,000 英里大约 20 磅，如果使用跑道，负载甚至更重。例如，四轴飞行器现在每个叶片都有多个燃料电池和储氢罐，提供冗余。 “安全第一；我们的储氢罐可以承受高冲击力，例如 0.50 口径的子弹。氢气扩散迅速，降低爆炸风险。我们正在使氢气更安全、更易于管理，特别是在偏远、资源稀缺的地区。”NovaSpark 首席创新官 Lanson Jones 表示，在发生灾难时，您无需依赖化石燃料或电力进行充电，这使得氢成为偏远或有争议地区的商业和国防场景的理想选择，最近，空军授予 Nova Spark 一份在南太平洋岛屿提供氢气解决方案的合同，该地区的高湿度允许从空气中提取充足的水来生产氢气。他们还使用可再生能源——太阳能、风能，甚至波浪能——为这一过程提供动力。

除了无人机之外，叉车也在采用氢，亚马逊和沃尔玛等全球巨头都在扩大其氢动力车队。其他应用包括现代和 Hyzon Motors 等公司的氢动力坦克和卡车。氢的续航里程比电池替代品更长，这对于采矿业等行业至关重要，因为在这些行业中，向偏远地区的燃料运输是成本的重要驱动因素。通过改装套件，内燃机还可以适应以氢为动力，从而无需重新培训机械师即可平稳过渡到绿色能源——氢、电动和燃烧混合动力可以针对各种重量、距离和效率需求进行优化。

氢燃料发动机还可以使用天然气或丙烷运行，从而具有灵活性。 “随着基础设施在未来十年的发展，这种方法可确保三重保障。例如，德克萨斯州因其化肥工业而拥有最多的氢气管道。我们正在那里探索自然储存的“白氢”，并将氢与天然气混合，比如在夏威夷，那里地下气体采掘供应10% 是氢。多年来，德克萨斯州的可再生能源比例从 2% 上升到 30% 以上，我们预计氢能也会取得类似的进步。”

在生产方面，液化空气集团和空气产品公司等大公司在路易斯安那州和德克萨斯州大规模生产氢气，然后用卡车运出。

 “不幸的是，它们在运输过程中由于氢气的逃逸性而损失了一些。我们的解决方案将允许本地按需生产氢气，减少碳排放并降低成本。”去中心化、离网是氢能应用的广阔未来对于无人驾驶车队（例如无人驾驶汽车和卡车以及工业车辆）而言，氢是一种有吸引力的动力来源。如果电动汽车的采用给电网带来了负担，那么离网氢充电可能是一个可行的解决方案。我们的离网充电装置可以缓解电网的压力，特别是在高峰时段。 “在飓风导致长时间停电后，我们一直在与城市讨论备用电源解决方案。我们的系统可以从空气中提取水并发电，这使得它们在电网故障期间具有无价的价值。”

文章来源：铂道