Metal Hydrides as Enabling Technology for the use of Hydrogen-Based Energy Storage Systems on Telecommunication Satellites

• Main Author: Reissner, Alexander
• Other Authors: Technische Universität Dresden, Fakultät Maschinenwesen
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden 2017
• Subjects: Telekommunikationssatellit; Energiesystem; Wasserstofftechnik; Metallhydrid; Weltraumtechnik; Telecommunication Satellite; Energy Storage; Spacecraft Technologies; Hydrogen Energy Storage; Metal Hydride; ddc:620; rvk:ZP 4150; Wasserstoff; Satellit
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-229226; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-229226; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/22922/Diss_final_published.pdf

Next generation telecommunication satellites will demand an increasing amount of power in the range of 30 kW or more within the next 10 years. Battery technology that can sustain 30 kW for an eclipse length of up to 72 minutes will represent a major impact on the total mass of the satellite, even with new Li-ion battery technologies. Regenerative fuel cell systems (RFCS) were identified years ago as a possible alternative to rechargeable batteries. Nevertheless, one major drawback was identified by several independent system studies, namely the need to dissipate large amounts of heat from the fuel cell (FC) during eclipse. This in turn requires massive thermal hardware (mainly large radiators) that can contribute up to 50% of the system mass. In order to overcome this issue, the use of metal hydrides (MH) as combined hydrogen and heat storage system was suggested as a starting point of the research presented in this thesis. During eclipse the FC must dissipate waste heat, and at the same time the MH tank must absorb heat in order to desorb hydrogen. Rather than dissipating the waste heat from the FC directly through a radiator, it can be stored solely, or partly, in the MH tank, to be dissipated during Equinox, with a 20 times slower rate, requiring a radiator with significantly less volume and mass. This thesis aims to present the potential of using such MH storage tanks to alternately store hydrogen and waste heat from the FC on-board a spacecraft, investigated by theoretical and experimental means. The model application for the MH tank technology considered in this thesis is a 39 kW telecommunication satellite. Nevertheless, the derived results are to be considered a generic outcome and can be translated or scaled to many other applications. === Es kann davon ausgegangen werden, dass der Trend hin zu Telekommunikationssatelliten mit immer höherer Leistung in den nächsten 10 Jahren zu Satelliten-Plattformen mit 30kW und mehr führen wird. Batterien, welche eine Leistung von 30kW für Eklipse-Längen von 72 Minuten zur Verfügung stellen müssen, werden daher einen immer größeren Einfluss auf die Gesamtmasse des Satelliten haben. Regenerative Brennstoffzellensysteme wurden daher schon vor Jahren als mögliche Alternative zu wieder aufladbaren Batterien untersucht. Mehrere unabhängige Studien sind zu dem Schluss gekommen, dass die größte Problematik in der Einführung von Brennstoffzellensystemen auf Satelliten darin besteht, die relativ großen Mengen an Abwärme effizient abzustrahlen. Die Radiatoren, die hierfür benötigt werden können 50% der Masse des Gesamtsystems ausmachen. Um dieses Problem zu überwinden wurde als Startpunkt der vorliegenden Arbeit die Nutzung von Metallhydriden als kombinierter Wasserstoff- und Wärmespeicher vorgeschlagen. Während sich der Satellit im Erdschatten befindet produziert die Brennstoffzelle Abwärme, während zur gleichen Zeit der Metallhydrid-Tank Wärme benötigt um Wasserstoff freizusetzen. Die Abwärme der Brennstoffzelle muss daher nicht direkt über Radiatoren abgestrahlt werden, sondern wird von Metallhydrid-Tank absorbiert um dann während dem restlichen Erdumlauf 20 mal langsamer mit einem deutlich kleinerem und leichteren Radiator abgegeben werden zu können. Diese Arbeit hat zum Ziel, das durch analytische und experimentelle Methoden untersuchte Potential der Anwendung einer solchen Technologie auf Satelliten zu präsentieren. Die Modellapplikation für diese Arbeit ist ein 39kW Telekommunikationssatellit. Die Ergebnisse lassen sich allerdings auch auf andere Anwendungen skalieren und übertragen.