Tesis:
Direct Methanol Fuel Cell-based power plant for Autonomous Underwater Vehicles. Endurance increase and Carbon Dioxide management in a confined Environment
- Autor: VILLALBA HERREROS, Antonio
- Título: Direct Methanol Fuel Cell-based power plant for Autonomous Underwater Vehicles. Endurance increase and Carbon Dioxide management in a confined Environment
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS NAVALES
- Departamentos: ARQUITECTURA, CONSTRUCCION Y SISTEMAS OCEANICOS Y NAVALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/69261/
- Director/a 1º: LEO MENA, Teresa J.
- Director/a 2º: ABAD ARROYO, Ricardo
- Resumen: Oceans and seas are and have always been vital for human beings. With approximately 71% of the Earth’s surface covered by oceans, their exploration is key to increasing our understanding, so we can more effectively manage, conserve, regulate and use ocean resources. However, by 2020 less than 20% of the ocean seafoor has been mapped using high-resolution instruments, a smaller surface than the already mapped and studied surfaces of the Moon or Mars. Since the Challenger Expedition laid the foundations of oceanography in the period 1872- 1876, the natural desire for knowledge of humans has motivated them to devise and build ingenious and sophisticated tools for the exploration of oceans. In this sense, Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) stand out. AUVs are robots that travel underwater without the need for operator intervention and are able to carry out missions autonomously. As instrument platforms, AUVs can include multiple sensors to collect the desired data ranging from temperature recorders to sophisticated sensors as side scan sonars. Besides, their increasing capacity to take decisions autonomously makes them very versatile tools in many felds in both the civil and defence sectors. However, the development of AUVs is hindered by the limited endurance provided by the current power plants based on batteries or semi fuel cells. This concern is especially important in large AUVs. One promising solution to extend AUVs navigation time is fuel cell technology. Despite their greater complexity, fuel cell-based power plants can store a greater amount of energy compared to lithium-ion batteries that are the standard power solution for AUVs today. This Doctoral Thesis focuses in the study of Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) to power AUVs. This kind of fuel cell has adequate characteristics that make them suitable for this use. Methanol is liquid under ambient conditions of pressure and temperature, which facilitates its handling and storage. However, DMFCs produce CO2 as product of the reactions that occur in the fuel cell that must be treated. Depending on the treatment method the global energy density and specifc energy of a DMFC-based power plant will vary. This work studies three CO2 Treatment Methods (CO2TMs) to determine the most suitable depending on the working conditions: direct disposal, storage on-board as a pressurized gas and storage on-board embedded in an adsorbent material. Through a Multi-Criteria Decision Making (MCDM) analysis it was determined that storage on-board embedded in an adsorbent material is the most suitable CO2TM for large AUVs capable of reaching navigation depths up to 6000 m. To study the benefts of powering an AUV with a DMFC-based power plant, a software tool was developed that allows to generate quick pre-designs of AUVs powered by such a power plant. The CO2TM considered consist in the storage of CO2 embedded in an adsorbent material. A comparative study using real large AUVs that offer the longest endurance values commercially available as models showed that a DMFC powered AUV has the potential of reaching endurance values up to 90% longer than those of the model AUVs under the same operational conditions. However, this result is highly infuenced by the adsorbent material used, being Mg-MOF-74 the best adsorbent material found in the literature. To advance in the knowledge of adsorption mechanisms, a CO2 capture setup was built. The experiments carried out allowed to study the impact on rate of accumulation of CO2 in the circuit of the adsorbent material under different ambient conditions. The results indicated a notable reduction of the rate of accumulation of CO2. These results are a frst step of a future work to build an effective CO2 Capture System suitable for its use on board an AUV powered by a DMFC-based power plant. As a conclusion this Doctoral Thesis reveals that the use of DMFCs to power AUVs has benefts in terms of longer endurance values than that currently available. Further investigations will allow the CO2TMs proposed to be studied in more detail to get even longer endurance values. ----------RESUMEN---------- Los océanos y los mares son y siempre han sido vitales para los seres humanos. Con aproximadamente el 71 % de la superfcie de la Tierra cubierta por océanos, su exploración es clave para aumentar nuestro conocimiento, de modo que podamos gestionar, conservar, regular y utilizar los recursos oceánicos de forma más efcaz. Sin embargo, para 2020 se ha cartografado menos del 20 % del fondo marino del océano utilizando instrumentos de alta resolución, una superfcie más pequeña que las superfcies ya cartografadas y estudiadas de la Luna o Marte. Desde que la Expedición Challenger sentó las bases de la oceanografía en el período 1872-1876, el deseo natural de conocimiento de los humanos los ha motivado a idear y construir herramientas ingeniosas y sofsticadas para la exploración de los océanos. En este sentido, destacan los Vehículos Autónomos Submarinos (AUVs por sus siglas en inglés). Los AUV son robots que navegan bajo el agua sin necesidad de la intervención de un operador y pueden realizar misiones de forma autónoma. Como plataformas de instrumentos, los AUV pueden incluir múltiples sensores para recopilar los datos deseados. Estos sensores pueden incluir desde registradores de temperatura hasta sensores sofsticados como sonares de barrido lateral. Además, su creciente capacidad para tomar decisiones de forma autónoma los convierte en herramientas muy versátiles en muchos campos tanto en el sector civil como en el de defensa. Sin embargo, el desarrollo de los AUV se ve obstaculizado por la autonomía limitada que brindan las actuales plantas de potencia basadas en baterías o semi-pilas de combustible. Esta limitación es especialmente importante en los AUV grandes. Una solución prometedora para extender el tiempo de navegación de los AUV es la tecnología de pilas de combustible. A pesar de su mayor complejidad, las plantas de energía basadas en pilas de combustible pueden almacenar una mayor cantidad de energía en comparación con las baterías de iones de litio que son la solución de energía estándar para los AUV en la actualidad. Esta Tesis Doctoral se centra en el estudio de las pilas de combustible de metanol directo (DMFC) para propulsar AUVs. Este tipo de pila de combustible tiene unas características adecuadas que las hacen aptas para este uso. El metanol es líquido en condiciones ambientales de presión y temperatura, lo que facilita su manipulación y almacenamiento. Sin embargo, las DMFC producen CO2 como producto de las reacciones que ocurren en la pila de combustible. Dependiendo del método de tratamiento de este CO2, la densidad energética global y la energía específica de una planta de energía basada en DMFC variarán. En este trabajo se estudian tres Métodos de Tratamiento de CO2 (CO2TM por sus siglas en inglés) para determinar el más adecuado en función de las condiciones de trabajo: eliminación directa, almacenamiento a bordo como gas presurizado y almacenamiento a bordo embebido en un material adsorbente. Mediante un análisis de Toma de Decisiones de Criterios Múltiples (MCDM por sus siglas en inglés) se determinó que el almacenamiento en un material adsorbente es el método más adecuado para grandes AUV capaces de alcanzar profundidades de navegación de hasta 6000 m. Para estudiar los benefcios de propulsar un AUV de estas características con una planta de energía basada en una DMFC, se desarrolló una herramienta de software que permite generar diseños previos rápidos de AUVs propulsados por una planta de potencia de este tipo. El CO2TM considerado consiste en el almacenamiento de CO2 en un material adsorbente. Un estudio comparativo utilizando AUV reales que ofrecen los valores de autonomía más largos disponibles comercialmente como modelos mostró que un AUV con DMFC tiene el potencial de alcanzar valores de autonomía hasta un 90 % más largos que los de los AUV modelo en las mismas condiciones operativas. Sin embargo, este resultado está muy infuenciado por el material adsorbente utilizado, siendo el Mg-MOF-74 el mejor material adsorbente encontrado en la literatura. Para avanzar en el conocimiento de los mecanismos de adsorción, se construyó un banco de ensayos de captura de CO2. Los experimentos realizados permitieron estudiar el impacto del material adsorbente sobre la tasa de acumulación de CO2 en el circuito en diferentes condiciones ambientales. Los resultados indicaron una reducción notable de dicha tasa cuando en el circuito está presente al material adsorbente. Estos resultados son un primer paso de un trabajo futuro para construir un sistema de captura de CO2 efectivo adecuado para su uso a bordo de un AUV alimentado por una planta de energía basada en DMFC. Como conclusión, esta Tesis Doctoral pone de manifesto que el uso de DMFCs para propulsar AUV tiene benefcios en términos de valores de autonomía más largos que los disponibles actualmente. Futuras investigaciones permitirán estudiar y mejorar los CO2TM propuestos con más detalle para obtener valores de autonomía aún más largos.