Термодинамика и жизнь

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 11159 (2023) Цитировать эту статью

455 доступов

Подробности о метриках

В настоящем исследовании проводится термодинамическая оценка и оценка жизненного цикла (LCA) новой зарядной станции в двух конструкциях системы. Цель состоит в том, чтобы разработать эффективную зарядную станцию ​​для электромобилей с высокой эффективностью и низким воздействием на окружающую среду с использованием технологии твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). ТОТЭ считается устойчивой и экологически чистой технологией производства электроэнергии по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Для повышения производительности тепло выхлопных газов батарей ТОТЭ будет рекуперироваться для производства водорода в электролизере. В системе используются четыре ТОТЭ для зарядки электромобилей, а выделяемое тепло рекуперируется с помощью органического цикла Ренкина (ORC) для выработки дополнительной электроэнергии для производства водорода в электролизере. В первом проекте предполагается, что батареи ТОТЭ будут работать с полной нагрузкой в ​​течение 24 часов в сутки, а во втором проекте предполагается работа с полной нагрузкой в ​​течение 16 часов и с частичной нагрузкой (30%) в течение 8 часов. Во второй конструкции системы анализируется возможность интеграции литий-ионной батареи \({\mathrm{LiMn}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}\) для хранения избыточной электроэнергии после силовой нагрузки. низка и действует как резервная копия при высоких требованиях к мощности. По результатам термодинамического анализа были рассчитаны общие КПД по энергии и эксергии 60,84% и 60,67% соответственно, при соответствующей мощности и производстве водорода 284,27 кВтч и 0,17 г/с. Было замечено, что более высокая плотность тока увеличит выходную мощность ТОТЭ, одновременно снижая общий энергетический и эксергетический КПД. При динамической работе использование аккумуляторов может хорошо сбалансировать изменение силовых нагрузок и улучшить динамическую реакцию системы на одновременные изменения энергопотребления. Результаты LCA также показали, что система мощностью 284,27 кВтч приводит к глобальному потеплению (кг \({\mathrm{CO}}_{2}\) экв.) 5,17E+05, 4,47E+05 и 5,17E+05 при использовании Solid Оксидный электролизер (SOE), электролизер с протонообменной мембраной (PEME) и щелочной электролизер (ALE) соответственно. В связи с этим использование PEME оказывает наименьшее воздействие на окружающую среду по сравнению с SOEC и ALE. Сравнение воздействия на окружающую среду различных рабочих жидкостей ORC также показало нежелательность использования R227ea, тогда как R152a показал многообещающие результаты для использования в системе. Исследование размера и веса также показало, что аккумулятор имеет меньший объем и вес по сравнению с другими компонентами. Среди рассматриваемых в данном исследовании компонентов блок ТОТЭ и PEME имеют наибольший объем.

Учитывая текущие достижения в области электромобилей (EV), необходимая инфраструктура в дополнение к политике должна быть улучшена для ускорения крупномасштабного внедрения1. Одним из основных препятствий на пути дальнейшей коммерциализации электромобилей является отсутствие зарядных станций по всему миру2. Выбор правильной технологии для производства необходимой электроэнергии все еще остается дискуссионным3. Например, в качестве примера можно привести спрос на электромобили в Скандинавии и Германии, который был обеспечен за счет ветровой и тепловой энергии с использованием инвестиционной модели минимизации затрат4. Кандидатская технология должна быть эффективной и экологически чистой, чтобы стать многообещающим вариантом для дальнейших инвестиций. Кроме того, необходимо сосредоточить усилия на рабочих условиях системы доставки для оптимизации ее производительности, как упоминалось Джаячандраном и др.5. Использование топливных элементов на зарядных станциях может быть интересным выбором, поскольку потери при транспортировке газа намного меньше, чем потери электроэнергии.

Топливные элементы — это электрохимические устройства, производящие электроэнергию экологически чистым способом6. Топливные элементы считаются конкурентоспособной альтернативой устройствам на основе ископаемого топлива из-за более низких выбросов и большей эффективности, и они имеют общее преимущество перед батареями с точки зрения плотности энергии, как упоминается в ссылке 7. Малик и др.8 провели сравнительное исследование, чтобы подчеркнуть, что твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) с диапазоном рабочих температур от 800 °C до 1200 °C в основном используются для стационарных применений, тогда как топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC) более распространены. подходит для целей мобильности. Работа ТОТЭ при высоких температурах позволяет им иметь более гибкий выбор топлива, такого как аммиак и биогаз, как упоминалось Фуэрте и др.9 и Саадабади и др.10 соответственно. Поскольку в процессе работы ТОТЭ также выделяется тепло, интеграция цикла повторного использования тепла выхлопных газов ТОТЭ представляет интерес для разработки более эффективных интегрированных систем.