Brandstofcellen en waterstoftanksystemen spelen een cruciale rol in de ontwikkeling van duurzame aandrijfsystemen voor voertuigen, vooral in de context van hybride elektrische voertuigen. Er zijn verschillende benaderingen voor de opslag van waterstof, waarbij gasvormige waterstoftanks onder druk (350 of 700 bar) of vloeibare waterstoftanks met lage druk (≤10 bar) het meest worden toegepast. Tanksystemen die gebruik maken van metaalhydride worden in dit kader niet in overweging genomen vanwege hun hoge gewicht en het lage technologisch rijpheidsniveau.

Wanneer we kijken naar tanks die onder druk staan, bieden tanks van 700 bar een hogere volumetrische energiedichtheid dan die van 350 bar. Dit betekent dat ze meer energie per volume-eenheid kunnen opslaan, maar tegelijkertijd zijn ze duurder vanwege de complexiteit van de productie. De typische gravimetrische energiedichtheid van deze tanks is 1,4 ± 0,04 kWh/kg, met een volumetrische energiedichtheid van 0,81 ± 0,01 kWh/l. Er wordt echter verwacht dat in de nabije toekomst tanksystemen met energiedichtheden van respectievelijk 1,8 kWh/kg en 1,3 kWh/l haalbaar zullen zijn.

Vloeibare waterstoftanks bieden een nog hogere energiedichtheid, zowel gravimetrisch als volumetrisch. Tanks met 15 wt. % waterstof zijn al geproduceerd voor de automobielindustrie, terwijl systemen met tot 28 wt. % waterstof mogelijk zijn, zoals blijkt uit toepassingen in de ruimtevaarttechnologie. Ter vergelijking, waterstoftanks onder druk bevatten doorgaans tussen de 4-6 wt. % waterstof. Vloeibare waterstoftanks zijn daarom aantrekkelijker voor toepassingen die een hoge energieopslag vereisen, maar de technologie is momenteel gecompliceerder en duurder om te produceren.

Naast de waterstoftanks speelt de brandstofcel zelf een sleutelrol in de efficiëntie en het vermogen van het aandrijfsysteem. SOA (State of the Art) brandstofcelstacks kunnen een vermogensdichtheid van tot 3,5 kW/kg bereiken, met een rendement van meer dan 50%. Echter, het brandstofcelsysteem omvat niet alleen de celstack, maar ook verschillende andere componenten die bijdragen aan het totale gewicht en volume van het systeem. Dit omvat bijvoorbeeld compressoren voor de luchttoevoer en koelpompen voor het koelsysteem. Al deze componenten bepalen in belangrijke mate de volumetrische en gravimetrische energiedichtheden van het brandstofcelsysteem. In dit project werd het brandstofcelsysteem in detail onderzocht om het werkelijke gewicht en volume van het systeem te berekenen.

De keuze van de elektromotor is eveneens cruciaal. Vanwege de hoge efficiëntie en het hoge vermogensdichtheid wordt de permanente magneet synchroonmotor als het meest geschikt beschouwd voor toepassingen in vliegtuigen en voertuigen die gebruik maken van waterstof als energiebron. Siemens heeft bijvoorbeeld een elektromotor getest met 260 kW continue vermogen, 50 kg gewicht en 95% efficiëntie, wat resulteert in een vermogensdichtheid van 5 kW/kg. NASA heeft ook een demonstrator ontworpen en getest die in 2030 vermogensdichtheden van 19,7 kW/kg verwacht, en zelfs tot 41,1 kW/kg met de toepassing van Kryo-technologie.

De kosten van brandstofcellen en waterstoftanks zijn momenteel nog aanzienlijk hoger dan die van traditionele verbrandingsmotoren en tanks. Volgens de kostenramingen zullen de kosten van brandstofcellen tegen 2050 lager zijn dan die van verbrandingsmotoren, maar de waterstoftanks zullen naar verwachting zelfs in de verre toekomst duurder blijven dan conventionele brandstoftanks. De kosten van brandstofcellen liggen momenteel rond de 280 $/kW, maar een productie van 500.000 eenheden per jaar kan leiden tot een prijsverlaging naar 55 $/kW. Evenzo wordt verwacht dat de kosten van waterstoftanks zullen dalen tot 300 €/kg waterstof tegen 2030.

De kosten van de energieopslagsystemen zijn een belangrijke factor bij het ontwerp van hybride elektrische voertuigen. Hoewel de initiële kosten van brandstofcellen en waterstoftanks nog hoog zijn, bieden ze potentieel voor kostenverlagingen in de toekomst, wat een bredere acceptatie van deze technologie kan bevorderen. De energie-opslagtechnologieën voor voertuigen moeten echter nog verder worden ontwikkeld om ze kostenefficiënter te maken en beter geïntegreerd te worden in het voertuigontwerp.

Een belangrijk aspect om te begrijpen is dat de keuze voor een bepaald type brandstofcel- of waterstoftanksysteem afhankelijk is van de specifieke eisen van de toepassing. Terwijl vloeibare waterstoftanks voordelen bieden voor toepassingen die veel energieopslag vereisen, blijven ze complex en duur in productie. Aan de andere kant bieden gasvormige waterstoftanks een lagere energiedichtheid, maar zijn ze eenvoudiger en goedkoper te produceren. Het ontwerp van een brandstofcelsysteem zal altijd een balans moeten vinden tussen kosten, gewicht, volume en efficiëntie.

De technologische vooruitgang in zowel de opslag als de omzetting van energie zal in de komende decennia de toekomst van brandstofcelvoertuigen en hybride systemen bepalen. De focus ligt daarbij steeds meer op het verbeteren van de energieopslagcapaciteit, de efficiëntie van de brandstofcel en het verlagen van de productiekosten. De evolutie van waterstoftechnologie biedt daarmee een belangrijke kans voor de vergroening van de transportsector, mits de technische en economische uitdagingen effectief worden aangepakt.

Hoe de LTE Dekking en Gebruikersdoorvoer de Bereikbaarheid voor Onbemande Luchtvaartuigen (UA) Beïnvloeden

Het bepalen van de gebruikersdoorvoer in een LTE-netwerk, en de invloed die dit heeft op het bereik van onbemande luchtvaartuigen (UA), vereist een gedetailleerd begrip van de netwerkcapaciteit en de manier waarop de spectrale efficiëntie van het kanaal bijdraagt aan de prestatie. In het kader van LTE-systemen is de Shannon-capaciteitsformule cruciaal om de theoretische maximale doorvoer te berekenen, met de relatie C = log2(1 + SNR), waarbij SNR staat voor de verhouding van het ontvangen signaal ten opzichte van het ruisniveau.

De LTE-gebruikersdoorvoer, Tuser, kan worden uitgedrukt als een functie van de toegewezen bandbreedte per gebruiker, Buser, en wordt aangepast door een correctiefactor ξ, die de afwijking tussen de theoretische Shannon-capaciteit en de werkelijke LTE-verbinding vertegenwoordigt. Simulaties tonen aan dat een waarde van ξ = 0.8 een goede benadering biedt voor de meeste scenario’s, zoals bewezen door Mogensen et al. (2017). Wanneer de LTE eNodeB dezelfde hoeveelheid frequentiebandbreedte aan elke gebruiker toewijst, wordt de toegewezen bandbreedte Buser bepaald door de verhouding van de beschikbare hulpbronnen per gebruiker, rekening houdend met de beschikbare bronnen per basisstation en het aantal gebruikers in een cel.

In LTE-systemen met een bandbreedte van 20 MHz (de maximale configuratie voor LTE Release 8-systemen) zijn 100 hulpbronnenblokken beschikbaar. Het aantal subdragers per hulpbronnenblok en de subdragerspatiëring zijn eveneens van belang, met typische waarden van 12 subdragers per blok en een spatiëring van 15 kHz in LTE-systemen. Deze parameters zijn essentieel voor het bepalen van de doorvoer van een gebruiker in relatie tot de signaal-ruisverhouding (SNR) en het aantal gebruikers.

Omdat LTE een gedeeld medium is, wordt de totale doorvoer van een LTE eNodeB verdeeld over alle actieve gebruikers. Dit betekent dat, naarmate het aantal gebruikers toeneemt, de doorvoer per gebruiker afneemt, tenzij de infrastructuur wordt uitgebreid. Dit heeft belangrijke implicaties voor het ontwerp van netwerken voor onbemande luchtvaartuigen, vooral wanneer de dekking in minder dichtbevolkte gebieden wordt geanalyseerd.

De linkbudgetberekeningen voor LTE zijn cruciaal voor het afstemmen van de SNR op de afstand tussen de eNodeB en het UA. Het SNR op de ontvanger is afhankelijk van verschillende factoren: het effectieve isotropische stralingsvermogen van de zender, het padverlies door de communicatiekanaal, interferentie van aangrenzende cellen, antennegain van de ontvanger, kabelverlies in de ontvanger en ruisniveaus van de ontvanger. De waarden voor deze parameters zijn essentieel om de betrouwbaarheid van de verbinding in verschillende scenario's in te schatten. De stralingspatronen van de antenne spelen een rol bij het bepalen van het ontvangstsignaal op verschillende hoeken en moeten goed worden begrepen om het bereik en de betrouwbaarheid van de verbinding te maximaliseren.

Bij het berekenen van het bereik voor een UA met behulp van LTE moet ook rekening worden gehouden met de invloed van terreinobstructies. Zelfs bij een hoogte van 150 meter kan het terrein tussen het UA en de basisstation de zichtlijn (LOS) blokkeren, waardoor de verbinding verbroken kan worden. De analyse van het bereik van een LTE-eNodeB wordt dus sterk beïnvloed door zowel de hoogte van de UA als de geografie van het gebied. In een theoretische situatie, bijvoorbeeld in Duitsland, kunnen obstakels in het terrein het effectieve bereik van het LTE-netwerk aanzienlijk verminderen.

Daarnaast moeten we begrijpen dat de dekking van LTE-netwerken niet alleen wordt bepaald door de afstand tussen het basisstation en de UA, maar ook door de capaciteit van de basisstations en de beschikbare infrastructuur. Er zijn altijd gebieden waar het moeilijk of kostbaar is om een goede dekking te bereiken, zoals landelijke of afgelegen gebieden. De uitrol van de infrastructuur is vaak vertraagd door juridische obstakels of lokale weerstand. Dit betekent dat de dekking in stedelijke gebieden misschien geen prioriteit heeft voor langeafstandsdiensten van UA, aangezien de belangrijkste operatie van deze systemen zich vaak boven dunbevolkte gebieden afspeelt.

Wat belangrijk is voor de lezer om te begrijpen, is dat de dekking van LTE-netwerken voor UA’s sterk afhankelijk is van de beschikbaarheid van basisstations in bepaalde geografische gebieden. Het is niet genoeg om alleen de technische specificaties van het netwerk te begrijpen; men moet ook rekening houden met de strategische planning van basisstations, terreinbeperkingen en andere factoren die de linkbetrouwbaarheid kunnen beïnvloeden. Ook de theoretische modellen voor LTE-bereik kunnen in de praktijk sterk variëren, afhankelijk van de lokale omstandigheden, zoals interferentie en netwerkbelasting.

Wat veroorzaakt de vorming van nanogaten in Cu/Al/Cu laminaten bij koudwalsen?
Hoe kan tekst-geconditioneerde globale monsterscènes genereren zonder gelabelde data?
Wat is de ware betekenis van Hamlet’s innerlijke strijd en de verwarring in zijn wereld?
Hoe overtuigt een listige vreemdeling een stam van zijn bovennatuurlijke krachten?
Wat zijn de vereisten voor infrastructuur in de nanomedicine-productie?
Wat bepaalt de politieke invloed van evangelische activisten binnen de Republikeinse Partij?