FFI – Forsvarets forskningsinstitutt: Er hydrogendroner fremtiden?

Doktorgradsstipendiat Jørgen Apeland har forsket på hvordan bruk av hydrogenbrenselceller kan øke rekkevidden til dagens droner.

Jørgen Apeland med sitt doktorgradsprosjekt. Foto: FFI

 

Droner har de siste tiårene blitt et velkjent begrep i forsvars- og sikkerhetspolitikken, så vel som i det sivile liv. Men som med all ny teknologi er det stadig rom for forbedringer. Særlig er rekkevidde en svært relevant faktor for bruk av ubemannede systemer.

– FFI samarbeider med akademia og kan tilby labfasiliteter og utstyr som universiteter eller bedrifter ikke har tilgang til. Dette kan være en vinn-vinn situasjon der vi kan dra felles nytte av relevant forskning, forteller forskningsleder ved FFI, Arvid Melkevik.

Doktorgradsstipendiat Jørgen Apeland fra Universitetet i Stavanger har tilbrakt tre måneder hos FFI i forbindelse med sin forskning på hydrogendroner.

Verdifullt forskningsopphold

Apeland er utdannet sivilingeniør fra NTNU og jobber til daglig ved Nordic Unmanned AS.  I 2018 begynte han på en nærings-PhD ved Universitetet i Stavanger og skal etter planene være ferdig sommeren 2021.

Forskningsoppholdet ved FFI kom i stand ved at han tidlig i prosjektet ble introdusert for Helge Weydahl i strømforsyningsgruppa ved FFI for innledende veiledning og innspill. Når tiden kom for å få på plass et forskningsopphold tok han igjen kontakt med FFI. Oppholdet har han bare positive ting å si om.

Det har vært helt strålende å få benytte det som finnes av fasiliteter her ved FFI

– Det har vært veldig nyttig for meg å få tilgang til gode laboratoriefasiliteter. De testene jeg har utført involverer hydrogen og krever en del infrastruktur og utstyr som jeg ikke hadde hatt tilgang på ellers, sier Apeland.

Under oppholdet har Apeland disponert hybel rett utenfor FFIs område og hatt eget kontor i tilknytning til relevante laboratorier. Han forteller også at han har hatt stor nytte av fagmiljøet ved FFI.

– Det er sterke fagmiljøer innen strømforsyning og ubemannede systemer ved FFI. Jeg har blitt tatt godt imot og fått god bistand med å sette opp forsøkene. Det er mye erfaring og kompetanse her som definitivt har vært med på å styrke arbeidet mitt, utdyper han.

Forskningsoppholdet har vært nyttig for begge parter. FFI jobber med både brenselceller og droner, men så langt ikke med brenselceller på droner. FFIs dronemiljø er alltid interessert i teknologi som kan forlenge flytiden, og strømforsyningsgruppen fikk sjansen til å se nærmere på et brenselcellesystem tilpasset droner.

– Vi har en del utstyr Apeland hadde nytte av. Blant annet en elektronisk last som kan brukes til å etterligne effektforbruket til dronen, legger seniorforsker ved FFI, Helge Weydahl til.

Kan doble rekkevidden

Hvis flere typer oppdrag kan løses av én type drone, vil behovet for mange forskjellige droner i Forsvaret kunne reduseres

Forskningsprosjektet går ut på å bruke hydrogenbrenselceller i energisystemet til multirotor-droner. Dette er droner med flere propeller, som kan ta av og lette vertikalt (Vertical take-off and landing, VTOL-drone) nærmest overalt – for eksempel på fartøy.

De kan også posisjoneres svært presist og er relativt robuste med tanke på vind. Dersom disse egenskapene kan kombineres med økt rekkevidde, vil bruksområdet bli kraftig utvidet. For eksempel kan logistikkanvendelser der dronen leverer materiell på store avstander bli mer aktuelt.

Droners rekkevidde

  • Den operative rekkevidden til en drone vil være avhengig av flere faktorer. Både tilgjengelig energi om bord i farkosten, rekkevidden til (eventuell) radiolink mellom operatør og drone og også til en viss grad hvilken type sensor eller nyttelast som benyttes vil påvirke rekkevidden.
  • Apelands forskning retter seg inn mot VTOL-droner av multirotor-konfigurasjon. For relativt små droner innenfor dette segmentet (3-15 kg) er en typisk flytid mellom 15 min og én time, men dette er veldig avhengig av hvilken nyttelast og operasjon de er designet for.
  • VTOL-droner har generelt en vesentlig dårligere energieffektivitet enn droner med faste vinger (fixed-wing), og bruker svært mye energi på bare å stå stille i lufta (uten forflytning).
  • Elektrisk drevne fixed-wing droner i samme vektklasse vil typisk kunne ha en flytid på 2-5 timer. Fixed-wing droner med forbrenningsmotor vil kunne ha vesentlig lengre flytid enn dette igjen, og flytiden øker generelt med størrelse.
  • En VTOL-drone som ved hjelp av f.eks. en hydrogen brenselcelle får en praktisk flytid på 2-3 timer (med relevant nyttelast) vil bli langt mer anvendelig for en lang rekke militære (og sivile) operasjoner enn dagens VTOL-droner.

– Dette er forskning FFI er interessert i fordi vi ser at fremskritt her vil kunne gi Forsvaret mer fleksible droneløsninger. Med økt flytid på VTOL-droner vil disse muligens kunne overta flere av oppgavene som i dag bare kan løses med fixed-wing droner som har begrensninger på avgang og landing. Hvis flere typer oppdrag kan løses av én type drone, vil behovet for mange forskjellige droner i Forsvaret kunne reduseres, forklarer sjefsforsker ved FFI, Øistein Hoelsæter.

Brenselcelle-systemet på Apelands drone består av batterier, brenselceller og en trykktank med komprimert hydrogengass.

Brenselcellene lager strøm ved hjelp av en elektrokjemisk reaksjon mellom hydrogen og oksygen. Hydrogen hentes fra trykktanken mens oksygen hentes fra lufta som blåses gjennom brenselcellen med vifter.

Brenselcellen er her koblet opp og test kjøres i egnet avtrekkskap.
Hydrogen føres inn i brenselcellen fra venstre, og brenselcellen er koblet til en elektrisk last. Brenselcellen kan generere en effekt på 1 kW. Foto: FFI

 

For sin drone har Jørgen regnet ut at det er mulig å oppnå opp mot dobbel mengde energi per vekt sammenlignet med bare Li-ion-batterier, noe som potensielt kan doble flytiden.

– Brenselceller har imidlertid ikke noe for seg i bittesmå droner. Systemet krever en del utstyr, som hydrogentank, vifter, ventiler og styringselektronikk. Alt dette veier litt og tar plass. Derfor må dronen ha en viss størrelse før brenselceller kan gi lengre flytid enn batterier, forklarer Weydahl.

– En stor styrke for prosjektet er at jeg har fått lagd en prototype. Dette har gitt meg førstehåndserfaring og har økt relevansen til forskningen. Det er også veldig spennende å gå fra teori og estimater til praksis og faktiske resultater. Jeg er nå i en fase med grundig testing av systemet og karakterisering av brenselcellesystemets ytelse, forteller Apeland.

Apelands prototype er en Staaker BG-200 FC-drone fra Nordic Unmanned. Den har en typisk take-off vekt på 25 kg, og har en X8 propellkonfigurasjon. Brenselcellesystemet består av to brenselceller og en 7.2 L trykkbeholder (COPV) med 300 bar hydrogen, samt et sett med buffer batterier. Foto: FFI

Sommerjobb satte kursen for videre arbeid

Forskningsoppholdet har vart i tre måneder, men Apeland er imidlertid ikke helt ny ved FFI.

– Jeg hadde sommerjobb hos FFI i 2015. Sommeren 2016 var jeg også med på et samarbeidsprosjekt mellom FFI og Kongsberg Maritime der vi laget et ubemannet fartøy som kunne kartlegge havbunnen.

Disse erfaringene ga ham kunnskap og interesse for et nytt fagfelt. I dag er han ikke i tvil om at opplevelsene hos FFI har hatt stor betydning for den karriereveien han valgte.

– Det var gjennom disse prosjektene at jeg først ble introdusert for forskning og utvikling av ubemannede systemer. Dette var svært viktig for at jeg senere har gått den veien jeg har, forteller Apeland.

Miljøvennlig teknologi

– I forskningen adresserer jeg flere spørsmål som er viktige for å kunne anvende denne teknologien i et kommersielt produkt for ordinære operasjoner. Jeg har blant annet analysert potensialet og begrensningene ved teknologien, identifisert grenseverdier for når et brenselcelle-system vil gi bedre flytid enn batterier, og kartlagt effekten av optimalisering og forbedringer av systemet, sier Apeland.

Apeland har arbeidet med dette prosjektet siden 2018. Han forteller at nå er søkelyset virkelig rettet mot hydrogen som en viktig og miljøvennlig komponent i fremtidens energisystem. Det har også vært noe interesse fra flyindustrien og bemannet luftfart for mulighetene ved bruk av hydrogen for å etablere mer miljøvennlige transportløsninger.

– Prosjektet befinner seg i et spennende krysningspunkt mellom ubemannet luftfart og miljøteknologi, og er utrolig inspirerende å jobbe med. Nå er det ikke miljøgevinsten som er hovedgrunnen til at vi forsker på dette, men det er en veldig fin bonus. Det er fascinerende at grønn teknologi også kan gi overlegen ytelse, avslutter Apeland.