Optimization of Zero-Emission Power Devices for an Electric Aircraft

Abstract

For å nå klimamålene om karbonnøytralitet innen 2050, må også luftfartssektoren erstatte fossilt drivstoff med mer bærekraftige alternativer. Flyindustrien viser spesiell interesse for hydrogen på grunn av grunnstoffets høye gravimetriske energitetthet. Ved å benytte brenselcelle-drevne fremdriftssystemer, vil klimapåvirkningen bli redusert til et minimumsnivå. Brenselceller med protonledende membraner, såkalte PEM brenselceller, fremstår som den mest lovende brenselcelle-teknologien for kortdistanse og regionale passasjerfly. Det pågår flere flyprosjekter hvor brenselceller kombineres med batterier i hybridsystemer. Kombinasjonen av disse kraftkildene bør optimeres for å tilfredsstille strenge flykrav og konkurrere med konvensjonelle fremdriftssystemer. Grunnleggende teori knyttet til brenselcelle-systemer er presentert for å legge grunnlaget for oppgaven. For å kunne utføre en nøyaktig optimalisering, har numeriske modeller for kraftkildene blitt utviklet for å representere høyytelses-enheter. På samme måte har kraftprofilene knyttet til spesifikke flyvninger blitt modellert basert på loggdata fra et regionalt referansefly. Fire ulike flyruter er undersøkt, hvorav en 526 km lang rute er brukt som referanseflyvning. Ved å bruke disse modellene kan kraftbehovet, energibruken og driftsforholdene for brenselcella og batteriet oppdateres dynamisk for å finne den optimale kraftfordelingen. Nøkkelindikatorer er begrenset til vekt og kostnader knyttet til kraftkildene og drivstoff. En spenning- og temperaturavhengig levetidsmodell er brukt for å estimere brenselcellas levetid basert på hvordan den er lastet for ulike scenarioer. Denne levetiden brukes til å beregne de totale investeringskostnadene basert på det nødvendige antallet reinvesteringer i løpet av analyseperioden på 15 år. Ved å beregne de tilsvarende batteri-investeringene og drivstoffkostnadene, basert på graden av hybridisering og overdimensjonering av brenselcella, kan de totale kostnadene bli estimert. For optimalisering på vekt vil også hydrogentanken og varmeveksler-behovet blir inkludert. For å kombinere økonomiske og tekniske nøkkelindikatorer kan kostnadene blir vektet mot en estimert nyttelastkapasitet. En økende vekt på energisystemet vil begrense denne kapasiteten og dermed begrense antallet passasjerer. Den optimale dimensjoneringen og hybridiseringen kan da uttrykkes som det scenarioet som gir lavest kostnader per tilgjengelige flysete. Kun små forskjeller ble funnet mellom ren brenselcelledrift og hybridisering med små batterier, både for vekt og kostnader. For de mest lovende hybrid-scenarioene var en overdimensjonering av brenselcella på 40-60% optimal. Ytelsesforbedringer er også vist å være oppnåelig ved å øke platinum-innholdet i cellene. For den 526 kilometer lange referanseflyvningen var det ren brenselcelledrift som ga de laveste, vektede kostnadene. Hybridisering med 10% og 20% batterikraft ga henholdsvis 0.3% og 1.7% høyere vektede kostnader. De tilsvarende verdiene var 2.3% og 6.5% for en kortere flyvning på 187 km. I motsetning, for en flyvning på 1093 km var den en kraftfordeling på 80% for brenselcella og 20% for batteriet som ga den laveste, vektede kostnaden, med en 4% reduksjon sammenlignet med ren brenselcelle-drift. For å muliggjøre videre konklusjoner, har høyfrekvente variasjoner, svitsjing og responstid blir diskutert i sammenheng med energisystemet basert på eksisterende litteratur og tester i Simulink. Basert på litteraturstudier, fremstår den høyfrekvente strømrippelen fra omformere som lite bekymringsverdig for ytelsen til brenselcella, sammenlignet med tregere variasjoner. Brenselcellesystemet kan forventes å tilfredsstille flyrelaterte responstids-krav, men kan operere med høyere effektivitet hvis det er hybridisert med batterier eller andre enheter med rask responstid. Med disse bemerkningene fremstår en hybrid med 80% brenselcelle- og 20% batteri-kraft, med en 56% overdimensjonering på brenselcella, som den mest lovende kombinasjonen for regionale passasjerfly, med de gitte kraftenhetene.

To reach the climate goals of carbon neutrality within 2050, also the aviation sector must replace fossil fuels with more sustainable alternatives. By utilizing fuel cell-powered propulsion systems, the climate impact will be reduced to a minimum. Proton exchange membrane fuel cells are currently regarded as one of the most economic and climate-friendly options for the electrification of the commuter and regional aircraft segments. There exists several aircraft projects combining such fuel cells with batteries in hybrid energy systems. These power devices should be optimized to meet the strict aircraft requirements and compete with conventional propulsion systems. Fundamental theory on the fuel cell and its surrounding components are investigated to form the foundation of this work. In order to perform an accurate optimization, numerical models of the power devices have be developed to represent appropriate high-performance devices. Similarly, the power profiles of specific flight missions have been modelled based on logging data from a regional, reference aircraft. Four flight missions were investigated and a 526 km route was used as the reference profile. By utilizing these models, the power requirements, the energy consumption and the operational conditions of the fuel cell and the battery are dynamically updated to find the optimal power balancing. The key performance indicators are restricted to the weight and costs of the power devices and the hydrogen fuel. A voltage and temperature-driven degradation model is used to estimate the fuel cell lifetime based on how the device is operated for different sizing scenarios. This lifetime is used to calculate the total investment costs based on the number of required reinvestments throughout a time period of 15 years. By calculating the corresponding battery investments and fuel costs, based on the level of hybridization and the fuel cell oversizing, the optimal costs can be estimated. For weight optimization, also the hydrogen tank and the heat exchanger requirements are included. In order to combine the economic and technical performance indicators, the costs are weighted against an estimated aircraft payload capacity. Increasing the energy system weight will, thus, limit the available capacity for passengers. The optimal sizing and hybridization can be seen as the case that gives the lowest total costs per available seat. Little differences were found between a fuel cell only configuration and the combination with small battery packs for power boosting, neither in terms of weight or costs. For the most promising hybridization cases, a FC oversizing of 40-60% was found optimal. Improvements in the FC performance were also found to be possible by increasing the platinum loading in the cells. For the 526 km reference flight, weighted costs of the fuel cell only configuration were found to be optimal. Hybridization with 10% and 20% battery power gave 0.3% and 1.7% higher weighted costs, respectively. The corresponding numbers were 2.3% and 6.5% for a shorter flight of 187 km. Contrarily, a longer flight of 1093 km found its optimality in an 80% fuel cell and 20% battery power share, with a 4% reduction compared to fuel cell only-propulsion. To enable further conclusions, the faster dynamics, switching conditions and response time of the energy system are discussed with basis in existing literature and basic tests in Simulink. Based on a literature research, the high frequency ripple currents caused by the switching of power electronic converters are found to be of negligible concern for the fuel cell performance, compared to the impact of slower dynamics. Fuel cell systems are likely to be capable of meeting key aircraft response time requirements, but may operate more efficiently if hybridized with batteries or other faster-responding devices. With these remarks, the 80% fuel cell and 20% battery hybridization, with a 56% fuel cell oversizing, is suggested to be the most promising overall alternative for the regional aircraft segment with the given power devices.