La termodinámica y la vida.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11159 (2023) Citar este artículo

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El estudio actual realiza evaluaciones termodinámicas y del ciclo de vida (LCA) de una nueva estación de carga en dos diseños de sistemas. El objetivo es diseñar una estación de carga eficiente para vehículos eléctricos con alta eficiencia y bajo impacto ambiental utilizando tecnología de pila de combustible de óxido sólido (SOFC). SOFC se considera una tecnología sostenible y respetuosa con el medio ambiente para generar electricidad en comparación con los motores de combustión. Para mejorar el rendimiento, el calor de escape de las chimeneas SOFC se recuperará para la producción de hidrógeno en un electrolizador. El sistema utiliza cuatro SOFC para cargar los vehículos eléctricos mientras el calor de salida se recupera mediante un ciclo orgánico Rankine (ORC) para generar más electricidad para la producción de hidrógeno en un electrolizador. En el primer diseño se supone que las pilas SOFC trabajarán a plena carga durante las 24 h del día, mientras que el segundo diseño considera la operación a plena carga durante 16 h y la operación a carga parcial (30%) durante 8 h. El segundo diseño del sistema analiza la posibilidad de integrar una batería de iones de litio \({\mathrm{LiMn}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}\) que almacene la electricidad sobrante una vez finalizada la carga. es bajo y actúa como respaldo en demandas de alta potencia. Los resultados del análisis termodinámico calcularon eficiencias generales de 60,84% y 60,67% para la energía y la exergía, respectivamente, con la correspondiente producción de energía e hidrógeno de 284,27 kWh y 0,17 g/s. Se observó que una mayor densidad de corriente aumentaría la producción de SOFC al tiempo que reduciría las eficiencias energéticas y exergéticas generales. En funcionamiento dinámico, el uso de baterías puede equilibrar el cambio de las cargas de energía y mejorar la respuesta dinámica del sistema a los cambios simultáneos en la demanda de energía. Los resultados del ACV también mostraron que el sistema de 284,27 kWh provoca un calentamiento global (kg \({\mathrm{CO}}_{2}\) eq) de 5,17E+05, 4,47E+05 y 5,17E+05 utilizando Solid Electrolizador de óxido (SOE), electrolizador de membrana de intercambio de protones (PEME) y electrolizador alcalino (ALE), respectivamente. En este sentido, el uso de PEME tiene el menor impacto en el medio ambiente en comparación con SOEC y ALE. Una comparación entre los impactos ambientales de diferentes fluidos de trabajo de ORC también desaconsejó el uso de R227ea, mientras que R152a mostró resultados prometedores para su uso en el sistema. El estudio de tamaño y peso también reveló que la batería tiene el menor volumen y peso en comparación con los demás componentes. Entre los componentes considerados en este estudio, la unidad SOFC y el PEME tienen, con diferencia, el mayor volumen.

Con los avances actuales en los vehículos eléctricos (EV), se debe mejorar la infraestructura necesaria, además de las políticas, para acelerar los despliegues a gran escala1. Una de las principales barreras para una mayor comercialización de vehículos eléctricos es la falta de estaciones de carga en todo el mundo2. Aún es discutible seleccionar la tecnología adecuada para generar la electricidad necesaria3. Por ejemplo, como estudio de caso, la demanda de vehículos eléctricos en Escandinavia-Alemania ha sido cubierta por la energía eólica y térmica utilizando un modelo de inversión de minimización de costos4. La tecnología candidata debe ser eficiente y respetuosa con el medio ambiente para ser una opción prometedora para futuras inversiones. Además, se debe hacer un esfuerzo concentrado en las condiciones operativas del sistema de entrega para optimizar el rendimiento como lo mencionan Jayachandran et al.5. El uso de pilas de combustible en una estación de carga puede ser una opción interesante, ya que la pérdida de gas por transporte es mucho menor que la de la electricidad.

Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que producen electricidad de forma respetuosa con el medio ambiente6. Las pilas de combustible se consideran alternativas competitivas para los dispositivos de origen fósil debido a sus menores emisiones y su mejor eficiencia, y tienen una ventaja general sobre las baterías en términos de densidad de energía, como se menciona en la Ref.7. Malik et al.8 realizaron un estudio comparativo para enfatizar que las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) con un rango de temperatura de funcionamiento de 800 °C a 1200 °C se utilizan principalmente para aplicaciones estacionarias, mientras que las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) son más apropiado para fines de movilidad. El funcionamiento a alta temperatura de las SOFC les permite tener una elección más flexible de combustibles como amoníaco y biogás, como mencionan Fuerte et al.9 y Saadabadi et al.10, respectivamente. Como también se produce calor durante el proceso de trabajo de una SOFC, integrar un ciclo para reutilizar el calor de escape de la SOFC es interesante para diseñar sistemas integrados más eficientes.

Se pueden utilizar diferentes ciclos de fondo en sistemas combinados para mejorar la eficiencia y el rendimiento11. Zhang et al.12 indicaron que entre los ciclos de fondo introducidos, el ciclo de clasificación orgánica (ORC) ha demostrado ser más eficiente en comparación con otras alternativas disponibles. De ahora en adelante, ORC se beneficia de la posibilidad de recuperar calor en un rango de temperatura comparativamente bajo de 80 °C a 350 °C13. Por lo tanto, la integración de este ciclo para recuperar el calor residual de las unidades SOFC puede mejorar drásticamente las eficiencias generales. Aliahmadi et al.14 utilizaron un ciclo ORC para recuperar el calor de fuentes geotérmicas y lograr una eficiencia exergética de alrededor del 60%. Asghari et al.15 utilizaron ORC para recuperar el calor de SOFC, que se utiliza para suministrar energía al enfriador de absorción con fines de refrigeración. En estudios similares realizados por Pourrahmani et al., el calor residual de las unidades SOFC se recuperó utilizando ORC16 y el sistema de refrigeración por absorción17 para proporcionar energía y refrigeración, respectivamente. Aunque la adición de ciclos de fondo mejorará la eficiencia energética, la eficiencia exergética, los efectos ambientales, los costos, el tamaño, el peso y otros parámetros deben analizarse en detalle para ser considerados en las aplicaciones de estaciones de carga. Además, la electricidad generada por el ORC se puede utilizar directamente en la estación de carga o para producir hidrógeno en un electrolizador. Aunque en la literatura16 se ha propuesto una estación de carga basada en SOFC, se puede realizar una mayor recuperación del calor residual de la unidad SOFC utilizando las unidades ORC y electrolizador, que no se han analizado antes.

Entre los diferentes tipos de electrolizadores, el electrolizador de membrana de intercambio de protones (PEME) se considera el tipo más comercializado con notables ventajas como gran densidad de corriente, alta pureza del hidrógeno y gran eficiencia de conversión18. La unidad PEME se puede combinar con otros ciclos para producir hidrógeno en sistemas de cogeneración. El diseño de una estación de carga que proporcione electricidad para vehículos eléctricos permite una mejor transición de vehículos basados en combustibles fósiles a alternativas respetuosas con el medio ambiente. Como mencionaron Al Wahedi et al.19, el diseño eficiente de la estación de carga también exige la integración de una unidad de almacenamiento para ahorrar el exceso de electricidad en demandas de energía bajas y proporcionar energía en demandas de electricidad altas.

La aplicación de baterías en sistemas de generación de energía está relacionada principalmente con el sistema de almacenamiento/respaldo además de acelerar el proceso de carga, lo cual fue analizado por Deng et al.20. El uso de baterías permite un rendimiento más eficiente de los demás componentes generadores de energía del sistema. Por ejemplo, en el caso de los paneles solares fotovoltaicos, las baterías pueden almacenar la energía recibida del sol y permitir el funcionamiento del sistema proporcionando electricidad durante la noche. En el caso de las estaciones de carga, la demanda de energía puede ser menor en algunos períodos del día, por lo que las baterías pueden usarse como sistema de respaldo/almacenamiento en los sistemas de energía eléctrica21. La caracterización del desempeño dinámico y de ACV del sistema permite a las autoridades tomar mejores decisiones. Aunque el uso de la tecnología de pilas de combustible y ORC puede considerarse una opción más interesante en comparación con las tecnologías basadas en combustibles fósiles para generar electricidad, también es necesaria una evaluación detallada del ciclo de vida (LCA). Aunque en un estudio previo de los autores17 se propuso y evaluó desde diferentes aspectos una estación de carga basada en SOFC, que también proporcionaba refrigeración mediante un sistema de absorción, el papel de la unidad electrolizador, los diferentes tipos de combustibles SOFC y los fluidos de trabajo de ORC. no fueron investigados sobre los impactos ambientales del sistema y el desempeño del sistema. Además, el estudio actual se beneficia de un análisis detallado de ACV, peso y tamaño que diferencia el estudio actual con el conocimiento existente en la literatura.

Utilizando el ACV se pueden determinar los impactos ambientales de un producto comercial en todas las etapas posibles de su ciclo de vida22. Por ejemplo, en el caso de las SOFC, el combustible inyectado en el sistema puede ser diferente, lo que cambia en consecuencia los impactos ambientales de las SOFC. Realizar el ACV para el sistema propuesto puede determinar los impactos ambientales sobre la salud humana, el ecosistema y los recursos23. Además, puede proporcionar información útil sobre los efectos del sistema sobre el calentamiento global, el consumo de agua, las radiaciones ionizantes, la formación de ozono, etc.24. En este sentido, realizar un análisis ACV para el sistema sugerido actual puede llenar el vacío existente en los estudios de investigación para proporcionar información adecuada a los tomadores de decisiones.

Este estudio tiene como objetivo sugerir el diseño eficiente de una estación de carga para vehículos eléctricos. Por lo tanto, se ha propuesto un sistema de cogeneración con cuatro chimeneas SOFC y una unidad ORC como recuperación de calor residual con y sin unidad de almacenamiento. Aunque esta estación de carga tiene como objetivo proporcionar electricidad para los vehículos eléctricos, el hidrógeno producido en el electrolizador considerado también puede suministrar el hidrógeno necesario para los vehículos eléctricos de pila de combustible. El PEME utilizará la electricidad generada por el ORC, que recupera el calor de escape de las chimeneas de SOFC. En el primer paso, el sistema se analiza sin la unidad de respaldo/almacenamiento. Luego se realizará una caracterización dinámica incluyendo las baterías. Una vez que se combinan las baterías, tres pilas SOFC funcionarán parcialmente durante la noche, ya que la batería de iones de litio \({\mathrm{LiMn}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}\) puede proporcionar la electricidad requerida. Además, el sistema se analiza mediante caracterizaciones de energía y exergía para calcular las eficiencias generales, la potencia de salida y la producción de hidrógeno. Además, los impactos ambientales de los sistemas integrados sugeridos se han analizado con ACV considerando diferentes tipos de combustibles para las pilas de SOFC, fluidos de trabajo para el ORC y tecnologías para la unidad electrolizador. En resumen, las novedades del presente estudio se pueden categorizar de la siguiente manera:

Proponer un diseño novedoso para las estaciones de carga utilizando tecnología SOFC como motor principal seguido de recuperación de calor por parte de las unidades ORC y electrolizador. Se analizan tres tipos diferentes de electrolizadores una vez integrados en el resto de componentes y se analizan los impactos ambientales. Las ecuaciones requeridas para realizar el análisis termodinámico se derivaron considerando el electrolizador integrado.

Concentrar esfuerzos en los impactos ambientales del sistema propuesto considerando los diferentes tipos de combustibles para la unidad SOFC. Además, se han analizado y discutido los impactos ambientales de diferentes tipos de electrolizadores. La importante función de seleccionar el fluido de trabajo del ORC adecuado se ha mencionado mediante un análisis de ACV detallado.

Evaluar el tamaño y el peso del sistema sugerido para alcanzar un rendimiento razonable con un sistema compacto.

La respuesta dinámica del sistema considerando los cambios en la demanda de energía de la estación de carga y los respectivos impactos en el desempeño del electrolizador y del sistema de recuperación de calor.

En el sistema multigeneración propuesto actualmente, el objetivo principal es producir electricidad para vehículos eléctricos utilizando pilas SOFC. Por lo tanto, se están integrando cuatro pilas SOFC para generar la electricidad necesaria para los vehículos eléctricos. El calor desperdiciado de estas cuatro chimeneas se transfiere a un ORC para convertirlo en electricidad. La Figura 1 ilustra el esquema detallado de la estación de carga que indica los estados termodinámicos en condición de estado estable. Cada pila SOFC proporciona la electricidad necesaria para sus compresores y bombas, luego el exceso de energía se utilizará para cargar los vehículos eléctricos. La turbina ORC también genera la electricidad necesaria para la bomba ORC además de la electricidad necesaria para el PEME. En este caso, se ha utilizado un PEME para proporcionar hidrógeno a partir de la electricidad producida por la unidad ORC. En otras palabras, el calor desperdiciado de las pilas de SOFC es reutilizado por la unidad ORC y se genera electricidad que es un insumo para la PEME.

Los detalles del sistema de cogeneración en estado estacionario para producir hidrógeno y electricidad como estación de carga de vehículos eléctricos. (La cifra se ha obtenido utilizando OriginPro, Versión 9.9, 2022. OriginLab Corporation, Northampton, MA, EE. UU., disponible en: https://www.originlab.com/).

Respecto a la Fig. 1, se debe considerar que cuatro pilas SOFC diferentes operan de forma independiente. El funcionamiento de cada pila de SOFC exige el uso de precalentadores, bombas, compresores, etc., por lo que cuatro unidades SOFC diferentes funcionan de forma independiente. Cada unidad SOFC incluye una pila SOFC, tres precalentadores, dos compresores, una bomba, un mezclador, un inversor y un postquemador. Como se indica en la Fig. 1, las cuatro unidades SOFC, además de la unidad ORC y la unidad PEME, crean el sistema integrado diseñado para actuar como estación de carga para los vehículos eléctricos. Este estudio modelará todos los componentes indicados del sistema integrado en la Fig. 1, incluida la unidad SOFC (incluida la pila SOFC, compresores, precalentadores, bomba, mezclador, postquemador e inversor), la unidad PEME (incluido el PEM electrolizador, precalentador PEM, separador y tanque de hidrógeno) y unidad ORC (incluyendo evaporador, turbina, bomba y condensador) y evaluar el desempeño considerando los aspectos energéticos, exergéticos y ambientales.

Teniendo en cuenta la unidad de almacenamiento, se reducirá la carga de trabajo de las pilas SOFC durante la noche, una vez que la carga de energía sea inferior a la del día. Así, se supone que SOFC1, SOFC2 y SOFC3 estarán trabajando a carga parcial (30%) desde las 22:00 horas hasta las 6:00 horas mientras que SOFC4 estará siempre trabajando a plena carga. Sin embargo, considerando la posibilidad de un aumento o disminución repentino en la demanda de energía, se utiliza una batería para almacenar el exceso de electricidad durante el día y generar la electricidad requerida si hay una alta demanda repentina de energía (ver Fig. 2). Para el sistema propuesto, se desarrollarán análisis de energía y exergía para calcular las características termodinámicas en cada estado y predecir las eficiencias generales. Al análisis termodinámico le sigue una evaluación en profundidad del ciclo de vida con dieciocho puntos de encuentro y tres puntos finales.

El esquema detallado del sistema de cogeneración dinámica para proporcionar hidrógeno y electricidad como estación de carga para los vehículos eléctricos: el segundo escenario. (La cifra se obtuvo utilizando Origin(Pro), versión 9.9, 2022. OriginLab Corporation, Northampton, MA, EE. UU., disponible en: https://www.originlab.com/).

En este estudio, la modelización termodinámica se ha realizado en el software MATLAB, utilizando las ecuaciones rectoras para las unidades SOFC, ORC y PEME. El metano es el combustible de trabajo de la pila SOFC, que se mezclará con vapor de agua después de precalentarlo y comprimirlo. Los gases de salida se dirigirán al postquemador para producir el calor necesario que se transferirá a los precalentadores. Como los escapes de las pilas SOFC (Escape 1, Escape 2, Escape 3 y Escape 4) están a altas temperaturas. Un ORC, que utiliza R245fa como fluido de trabajo, reutilizará el calor de salida de las pilas de SOFC para mejorar aún más la eficiencia y proporcionar electricidad de entrada para la PEME. Los autores ya han presentado en detalle las ecuaciones rectoras necesarias para modelar el PEME25, y no se mencionan aquí para evitar repeticiones. Las ecuaciones rectoras necesarias para las pilas SOFC y la unidad ORC, además de las ecuaciones de balance de exergía y las expresiones requeridas para calcular las eficiencias energéticas y exergéticas generales, se pueden encontrar en el Apéndice.

Con base en la Fig. 2, se debe calcular la diferencia entre la demanda de electricidad durante el día y la noche. Las pilas SOFC funcionarán parcialmente con un 30% de carga de energía de 22 a 6 h durante ocho horas. La Figura 3 muestra el perfil considerado de la generación de energía por las pilas SOFC según la Figura 2.

El perfil de generación de energía por las pilas SOFC, que se sugiere en la Fig. 2.

Se utiliza una batería para almacenar el excedente de energía durante la noche y puede compensar el déficit de electricidad en las horas pico. Durante el período de carga de la batería, la corriente de carga estaría limitada por una corriente de carga máxima \({{I}_{C}}_{max}\). El valor teórico de la corriente de carga se calcula como:

donde, \({P}_{+}\) (W) es la potencia excedente, \({\varepsilon }_{C}\) es la eficiencia del convertidor CC-CC y \({V}_ {B}\) (V) es el voltaje en la batería. En este estudio, se supone que \({\varepsilon }_{C}\) tiene un valor constante del 95%.

Durante el período de descarga, la batería compensaría la falta de potencia de salida de las pilas SOFC para satisfacer la demanda de energía. En este caso, la corriente está limitada por una corriente de descarga máxima de \({{I}_{D}}_{max}\), mientras que el valor teórico se puede calcular de la siguiente manera:

aquí, \({P}_{-}\) es el déficit de producción de energía.

Teniendo las corrientes de carga y descarga se puede calcular el estado de carga (SOC) de la batería. La ecuación (3) expresa la capacidad descargada, \({C}_{D}\), durante un período de \(\Delta t\):

donde \(\alpha \) es la eficiencia de descarga dada por la ecuación empírica presentada. (4):

aquí, \({C}_{0}\) es la capacidad máxima de la batería, por lo tanto, \(\alpha \) está limitada a los valores entre cero y uno.

Considerando las pérdidas insignificantes durante la carga en comparación con el período de descarga, los cambios en la capacidad durante \(\Delta t\) se pueden presentar de la siguiente manera:

Por lo tanto, el estado SOC de la batería en el tiempo \(t\) se puede obtener mediante la ecuación. (6), considerando el rango de (\(SO{C}_{min}, SO{C}_{max}\)) para \({C}_{t}\):

Los análisis energéticos y exergéticos del sistema propuesto se han realizado utilizando la biblioteca REFPROP 9.026 del software MATLAB. El código desarrollado para la caracterización termodinámica considera las propiedades de cada ciclo utilizando los parámetros de entrada proporcionados en la Tabla 1. El resultado de este análisis termodinámico serán las eficiencias generales, además de los valores de producción de hidrógeno y potencia de salida. Cabe señalar que los autores han validado previamente la unidad SOFC y PEME, cuyas cifras de validación están disponibles en las Refs.25,27, respectivamente, por lo que no se brindan más explicaciones en este estudio para evitar repeticiones.

En la unidad ORC, se supone que las eficiencias de la bomba y la turbina son constantes. El objetivo de este estudio es aclarar la idoneidad del sistema integrado sugerido para ser operado como estación de carga para vehículos eléctricos utilizando aspectos energéticos, exergéticos y ambientales. Para mejorar la eficiencia de todo el sistema, se utilizó la unidad ORC para observar la posibilidad de recuperar el calor de escape de las unidades SOFC. En otras palabras, aunque se calculan las cantidades exactas de calor recuperado y las eficiencias generales, el objetivo principal de este estudio fue analizar la integración de la unidad ORC y monitorear la posibilidad de recuperación de calor residual. En el funcionamiento a largo plazo, si la bomba utilizada en la unidad ORC experimenta cavitación, un aumento en la pérdida por fricción, inclusiones de desgaste en los fluidos de trabajo ORC y un suministro de energía deficiente, la eficiencia no será la misma, de ahí la menor cantidad. de calor recuperado. Sin embargo, el objetivo de este estudio no es estudiar el funcionamiento a largo plazo del sistema sino más bien encontrar un equilibrio perfecto entre las unidades integradas y los impactos ambientales. También se realizan análisis de energía y exergía para ayudar a los responsables de la toma de decisiones sobre la idoneidad del sistema en aplicaciones reales.

Se han modelado los comportamientos energético y exergético del sistema en cada punto de estado. Considerando los esquemas ilustrados en las Figs. 1 y 2 se han obtenido las características termodinámicas de la estación de carga en cada estado, lo que facilita la caracterización del sistema. Utilizando las propiedades termodinámicas dadas en la Tabla 2, la potencia de salida de las pilas SOFC se puede predecir con una densidad de corriente de 0,7 A/cm2. Cabe señalar que la temperatura de los gases de escape obtenida de las cámaras de combustión de cada unidad SOFC será enfriada por los precalentadores de agua, combustible y aire para reducir la temperatura de los gases de escape de la cámara de combustión de 1135 K a 441,5 K. = 168,35 °C en cada unidad SOFC. En este sentido, la temperatura general de los gases de escape de todas las unidades SOFC (\({T}_{67}\) = 441,5 K = 168,35 °C) está en el rango de temperatura de 80 °C a 350 °C, lo que se considera adecuado para la recuperación de calor con una unidad ORC13. La entalpía y la temperatura calculadas en el punto de estado “68”, que es la salida de las chimeneas SOFC, permiten calcular el calor recuperado por la unidad ORC, la electricidad generada por la unidad ORC y transferida al PEME, y la valor respectivo de la producción de hidrógeno a la densidad de corriente de 0,7 A/cm2. La Tabla 3 demuestra las características termodinámicas de cada variable de estado en las unidades ORC y PEME. Cabe señalar que los parámetros existentes en la Tabla 3 y la Tabla 4 son la temperatura, T (K), la presión, P (bar), el caudal másico, \(\dot{m}\) (\(\frac{\ mathrm{mol}}{\mathrm{s}}\)), entropía, \(s\) (\(\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg} \mathrm{K}}\)) , entalpía, \(h\) (\(\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg}}\)), y exergía, ex (kW).

Con un enfoque similar para obtener las propiedades termodinámicas en diferentes densidades de corriente de las pilas SOFC, los cambios en los parámetros de salida, como la potencia de salida de las pilas SOFC, el calor recuperado por la unidad ORC y el hidrógeno producido por el PEME, pueden Ser obtenido. Además, la variación en la temperatura de funcionamiento de las pilas SOFC tiene impactos críticos en el rendimiento general de la estación de carga, por lo que las características del sistema deben evaluarse a diferentes temperaturas de funcionamiento y densidades de corriente. En este sentido, se proporciona la Fig. 4. para ilustrar los impactos de estos dos parámetros en la potencia de salida de la pila SOFC, la electricidad producida por la unidad ORC utilizando el calor de escape de las pilas SOFC y el hidrógeno producido utilizando la electricidad de salida de la unidad ORC en diferentes temperaturas y la densidades de corriente de las pilas SOFC.

Los impactos de la temperatura de funcionamiento de la SOFC y la densidad de corriente en las salidas del sistema integrado: (a) Las variaciones en la potencia de salida de las pilas SOFC, (b) Las variaciones en la potencia de salida de la unidad ORC, (c) Las variaciones en la producción de hidrógeno.

Una vez calculados los valores de salida, la determinación de las eficiencias se vuelve factible. La Figura 5a muestra las eficiencias generales del sistema integrado por las variaciones en la densidad de corriente de las pilas SOFC, mientras que la Figura 5b ilustra las de la pila SOFC. Las densidades de corriente más altas de las pilas SOFC dan como resultado eficiencias más bajas tanto en las pilas SOFC como en todo el sistema. Además, la Fig. 6 muestra los impactos de la densidad de corriente SOFC en los parámetros de salida de la estación de carga. La comparación de las Figs. 5 y 6 muestran que, aunque densidades de corriente más altas dan como resultado eficiencias más bajas tanto en las pilas de SOFC como en el rendimiento general, también dan como resultado una mayor producción de hidrógeno y electricidad. Por lo tanto, se debe hacer un equilibrio para encontrar la mejor densidad de corriente para tener los máximos productos de salida posibles con las mayores eficiencias posibles.

Eficiencias por la variación en la densidad de corriente de las SOFC: (a) Los cambios en las eficiencias generales, (b) Los cambios en las eficiencias de las SOFC.

Los valores de la potencia total de salida a la red y la producción de hidrógeno por la variación en la densidad de corriente SOFC.

Además de la caracterización del desempeño del sistema en diferentes densidades de corriente SOFC, se debe realizar un análisis exergético detallado para obtener la información requerida sobre la eficiencia de cada componente. Los valores de destrucción de exergía se pueden calcular en cada componente para comprender la eficiencia de cada componente de la estación de carga. La Figura 7 ilustra los valores de destrucción de exergía de los componentes que se utilizan en el sistema integrado sugerido. El precalentador de aire tiene, con diferencia, la mayor destrucción de exergía, seguido del postquemador de las chimeneas SOFC, mientras que la bomba ORC tiene el menor valor entre todos los parámetros considerados.

Los valores de destrucción de exergía en cada componente del sistema integrado.

Una vez que se revela el rendimiento de todo el sistema integrado y de cada componente del sistema utilizando modelos termodinámicos, se deben considerar los desafíos de implementación. La construcción de una estación de carga utilizando las tecnologías sugeridas exige espacio y materiales específicos para soportar el peso del sistema. En este sentido, se deben realizar análisis de tamaño y peso para proporcionar la infraestructura requerida. La Figura 8 muestra los tamaños de las principales subsecciones del sistema mientras que la Fig. 9 presenta las de pesos. Como se puede observar, la unidad SOFC tiene el mayor tamaño y peso entre las subsecciones consideradas seguida por la PEME en tamaño y el subsistema de aire en peso. La batería considerada en la configuración dinámica, Fig. 2, también tiene un tamaño y peso menores.

Los tamaños estimados de los componentes en el diseño integrado sugerido para una estación de carga.

Los pesos estimados de los componentes en el diseño integrado sugerido para una estación de carga.

Teniendo en cuenta la información proporcionada sobre la configuración dinámica (ver Fig. 2) en la Sec. 2, se combina una batería con el diseño inicial (ver Fig. 1). Por lo tanto, la electricidad excedente se almacenará para demandas de energía bajas y el sistema tendrá un respaldo para cargas de energía altas. Los parámetros de entrada para modelar la batería se dan en la Tabla 4, mientras que la Fig. 10 ilustra diferentes perfiles de potencia seleccionados de las estaciones de carga para realizar un estudio dinámico. La demanda de carga de energía está inspirada en Gilleran et al.28 con modificaciones para igualar la generación de energía.

Tres cargas de potencia de la estación de carga: (a) Primer perfil, (b) Segundo perfil, (c) Tercer perfil.

Considerando el perfil de demanda de energía presentado en la Fig. 10a, se obtienen las respuestas dinámicas del sistema (24 h). La Figura 11a muestra el perfil de carga de la batería considerada, mientras que la Figura 11b presenta el perfil de descarga. Como puede verse, el sistema muestra respuestas dinámicas adecuadas a las variaciones en el perfil de demanda de energía que se muestran en la Fig. 10a. La Figura 11c ilustra el estado de carga (SOC) de la batería mediante los cambios en la carga de energía durante el día. Cabe mencionar que el diseño de la batería sigue la tasa máxima de carga y descarga de C/10 y C/5, respectivamente. Si la batería considerada es más pequeña y, por lo tanto, diferentes velocidades de carga y descarga, entonces no se puede responder adecuadamente a los cambios repentinos en la carga de energía y no se proporcionará una región segura para proteger la batería en aplicaciones reales. Mientras tanto, el SOC de la batería considerada como en la Fig. 11c estará en el rango de (40% a 60%), lo que mejorará la respuesta dinámica del sistema y proporcionará una condición operativa segura para la batería.

Los resultados de la simulación consideran el primer perfil de demanda de energía dado en la Fig. 10a: (a) perfil de carga de la batería, (b) perfil de descarga de la batería, (c) SOC de la batería.

Se realizó un estudio similar considerando el segundo perfil de demanda de energía para la estación de carga según la Fig. 10b. Los detalles de las respuestas dinámicas de la batería a las variaciones en la carga de energía de la Fig. 10b se muestran en la Fig. 12. El segundo patrón presentado en la Fig. 12 experimenta un alto nivel de utilización. Cuando las variaciones en la demanda de energía son drásticas, la limitación del rendimiento de la batería será la corriente de descarga. Según Linden et al.29, la corriente máxima de descarga debe ser C/5, por lo que la corriente se mantendrá dentro del límite.

Los resultados de la simulación consideran el segundo perfil de demanda de energía mostrado en la Fig. 10b: (a) perfil de carga de la batería, (b) perfil de descarga de la batería, (c) SOC de la batería.

Además, la Fig. 13 demuestra los perfiles de carga, descarga y SOC de la batería con las variaciones en la carga de energía proporcionadas por la Fig. 10c. El patrón analizado para el tercer perfil energético tiene un alto nivel de utilización con una variación suave en la demanda de energía, lo que significa tener un período deficitario duradero durante el día. En este caso, la capacidad de almacenamiento de la batería es un factor crítico para limitar el rendimiento. La Figura 13 muestra que la batería utilizada tiene una capacidad mayor que la electricidad producida por la SOFC, de modo que el estado del SOC se mantiene en una región segura durante las horas de trabajo.

Los resultados de la simulación consideran el tercer perfil de demanda de energía mostrado en la Fig. 10c: (a) perfil de carga de la batería, (b) perfil de descarga de la batería, (c) SOC de la batería.

Utilizando el ACV como método para obtener los impactos ambientales de diferentes tecnologías, se ha evaluado la propuesta de diseño de la estación de carga. Los marcos de ACV se basan en ISO 1404030 y 1404431 utilizando el método ReCiPe 2016 v1.03 Midpoint (H)32. Para realizar las simulaciones se ha utilizado el software openLCA, que es un software de código abierto para realizar ACV. La base de datos dedicada “ecoinvent”33 disfruta de una base de datos LCI de proceso unitario transparente. La Tabla 5 presenta los materiales de entrada necesarios para construir el diseño integrado sugerido de la estación de carga sin considerar la unidad electrolizador.

Este estudio también evalúa los impactos ambientales de diferentes dispositivos existentes que actuarán como unidad electrolizador en la estación de carga propuesta. Hasta el momento, los electrolizadores más comercializados son el electrolizador de óxido sólido (SOE), el electrolizador de membrana de intercambio de protones (PEME) y el electrolizador alcalino (ALE). Los materiales de entrada necesarios para producir 5 m2 de una sola unidad repetitiva de ALE, PEME y SOE se muestran en las Tablas 6, 7 y 8, respectivamente.

Además de los materiales necesarios para producir la unidad de electrolizador, se requieren diferentes tipos de procesos para cada tipo de electrolizador. En este sentido, el impacto ambiental general cambiará si cambia el tipo de electrolizador. La Figura 14 presenta el procedimiento para fabricar el ALE que se combinará en el diseño integrado propuesto. En el primer paso, el polvo de níquel debe pasar por el proceso de laminado y luego darle forma para formar las placas y electrodos bipolares. La membrana Zirfon también se puede producir mediante procesos de baño y secado utilizando N-metil-2-pirrolidona (NMP), sulfuro de polifenileno (PPS), dióxido de circonio (Zr \({\mathrm{O}}_{2}\) ) y polisulfona (PSU) como materiales de entrada. Además, los marcos, que serán de acero inoxidable, se fabricarán mediante moldeo.

El procedimiento para fabricar el electrolizador alcalino que se ha utilizado en este estudio.

De igual forma se deberá fabricar una membrana, electrodos, placas bipolares y marcos para el PEME. La placa bipolar es una combinación de platino y titanio mediante pulverización catódica, mientras que el marco se producirá cortando el acero inoxidable. Para generar los electrodos, se utilizarán aglutinantes, aditivos y disolventes con óxido de iridio y catalizadores de platino para formar los materiales de tinta necesarios. Después del recubrimiento, se utilizará titanio y fieltro de carbono para formar los correspondientes electrodos de oxígeno e hidrógeno. La membrana Nafion 115 también se producirá después de pasar por diferentes procesos como baño, secado e hidratación. La Figura 15 presenta el procedimiento para fabricar el PEME a integrar en el diseño integrado sugerido.

El procedimiento para producir el electrolizador de membrana de intercambio de protones que se ha utilizado en este estudio.

La Figura 16 también ilustra los procesos y materiales de fabricación requeridos para la SOE. Como puede verse, las interconexiones se producen mediante el estampado, la conformación y el recubrimiento del acero inoxidable, de forma similar a los marcos. Se utiliza serigrafía para formar el electrodo de oxígeno, mientras que el electrodo de hidrógeno y el electrolito solo requieren cinta fundida y molienda de bolas. Después de la producción de los electrodos y el electrolito, los procesos de sinterización y corte por láser se utilizarán para formar una celda de electrólisis de óxido sólido (SOEC), que luego se ensamblará en el marco y se interconectará para formar una pila de SOEC.

El procedimiento para producir un electrolizador de óxido sólido que se ha utilizado en este estudio.

Una vez realizado el modelado de los materiales de entrada en el software OpenLCA, se pueden obtener los impactos ambientales del sistema en la Fig. 2 considerando tres tecnologías diferentes para actuar como unidad electrolizador, a saber, SOEC, PEMEC y AEC. La Tabla 9 proporciona los resultados de salida del ACV relacionados con diferentes tipos de electrolizadores basados en el punto medio (H) de ReCiPe 2016 v1.03 para el diseño sugerido de 284,27 kWh. Los resultados indican la idoneidad del PEMEC teniendo en cuenta los aspectos medioambientales, mientras que se vota en contra del uso de OECE desde este punto de vista. Además, la Tabla 10 presenta los cambios en los 18 parámetros ambientales ante las variaciones en el combustible de entrada de las chimeneas de SOFC. Los resultados indican que el hidrógeno tiene, con diferencia, la menor influencia adversa sobre el medio ambiente, seguido del biometanol que actúa como fuente de combustible para las cuatro pilas de SOFC.

Este estudio también caracteriza los impactos ambientales de diferentes fluidos de trabajo de ORC. La Tabla 11 presenta una comparación entre R134a, R227ea y R152a considerando sus impactos ambientales. Los resultados muestran que una vez que se ha utilizado el R152a como fluido de trabajo del ORC, el diseño integrado del sistema mostrado en la Fig. 2 tiene la menor producción de dióxido de carbono en 4,02E+05 (kg CO2 eq), mientras que el del R227ea conduce a la mayor cantidad por la generación de 6,19E+05 (kg CO2 eq) de dióxido de carbono.

Se ha realizado otra caracterización del sistema una vez que se han elegido metano, R134a y PEME como combustible de entrada de la SOFC, fluido de trabajo del ORC y unidad electrolizador utilizando cinco categorías principales (ver Fig. 17). Según los resultados obtenidos, la fabricación juega un papel crítico en HCT, WC, TA, TE, OFT, LU y FEu, mientras que la eliminación es el principal impulsor de ME, MEu, SOD, HnCT, FRS, FPMF y IR.

La participación de diferentes procesos en el medio ambiente durante el funcionamiento de la estación de carga de 284,27 kWh con PEMEC como electrolizador.

Este estudio evaluó la posibilidad de utilizar la tecnología SOFC para actuar como proveedor de electricidad para vehículos eléctricos en una estación de carga. Los resultados de este estudio facilitan la transición de tecnologías basadas en combustibles fósiles a alternativas respetuosas con el medio ambiente. En condiciones de estado estacionario, el calor residual de las pilas de SOFC fue reutilizado por una unidad ORC y utilizado como entrada para la unidad electrolizador. El análisis termodinámico del sistema que se muestra en la Fig. 1 reveló que la eficiencia energética y exergética general del sistema con una densidad de corriente operativa de 0,7 A/\({\mathrm{cm}}^{2}\) es del 60,84 %. y 60,67%, respectivamente, con la correspondiente producción de energía e hidrógeno de 284,27 kWh y 0,17 g/s. El resultado indicó que mayores densidades de corriente de las pilas de SOFC conducen a menores eficiencias tanto en la celda de combustible como en el sistema integrado, al tiempo que aumentan la producción de hidrógeno y la generación de electricidad. En este sentido, se debe encontrar una densidad de corriente operativa óptima para alcanzar la mayor eficiencia en la mayor producción de hidrógeno y electricidad. Los resultados del estudio de destrucción de exergía revelaron que el precalentador de aire tiene con diferencia el valor más alto seguido por el postquemador mientras que la bomba ORC tiene la destrucción de exergía más baja. Los resultados obtenidos indicaron que el sistema sugerido actualmente con recuperación de calor de escape ORC puede actuar como estación de carga para vehículos eléctricos. La eficiencia energética general de los sistemas de generación de energía basados en combustibles fósiles oscila entre el 15% y el 45%; sin embargo, el sistema actual se beneficia de una eficiencia energética del 60,84%.

En la configuración dinámica, Fig. 2, la batería de iones de litio \({\mathrm{LiMn}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}\) se combinó en el sistema para facilitar la operación parcial. (30%) de las SOFC1, SOFC2 y SOFC3 de 22 a 6 horas. Una vez que la demanda de energía fuera baja, la batería podría almacenar la electricidad y actuar como respaldo en condiciones críticas. La respuesta dinámica del sistema integrado con baterías demostró la idoneidad y estabilidad del sistema sugerido en tres cargas de energía arbitrarias diferentes durante el día. El estudio de tamaño y peso también reveló que la batería tiene el menor volumen y peso en comparación con los demás componentes del sistema. Entre los componentes considerados del sistema, la unidad SOFC y el PEME tienen, con diferencia, el mayor volumen. Para obtener los impactos ambientales del sistema integrado se desarrolló el modelo ACV para el sistema de 284,27 kWh y los resultados mostraron que el sistema conduce al calentamiento global (kg \({\mathrm{CO}}_{2}\) eq) de 5.17E+05, 4.47E+05 y 5.17E+05 usando electrolizador de óxido sólido (SOE), electrolizador de membrana de intercambio de protones (PEME) y electrolizador alcalino (ALE), respectivamente. También se hizo una comparación usando diferentes tipos de combustible para las pilas de SOFC y los resultados indicaron que el calentamiento global (kg \({\mathrm{CO}}_{2}\) eq) de 4.47E+05, 7.23E+04 , 2.16E+05, 1.71E+05 y 5.87E+04 cuando se utilizan metano, biometanol, gas natural, biogás e hidrógeno, respectivamente. Una comparación entre los impactos ambientales de diferentes tipos de fluidos de trabajo de ORC también desaconsejó el uso de R227ea, mientras que R152a mostró resultados prometedores para su uso en el sistema.

Aunque los resultados de este estudio han cubierto muchos aspectos importantes, se pueden realizar más investigaciones como tema para estudios futuros de la siguiente manera:

Uno de los aspectos críticos del diseño de un sistema de generación de energía utilizando pilas SOFC es la lenta respuesta dinámica en este tipo de celda de combustible. Cambiar la SOFC de carga completa a carga parcial puede tardar varias horas y, durante este tiempo, la SOFC no puede proporcionar energía. En este sentido, un estudio sobre la histéresis térmica de las pilas SOFC durante la conmutación de carga SOFC es de interés para estudios futuros.

Los objetivos de este estudio fueron principalmente sugerir un sistema eficiente de generación de energía para vehículos eléctricos y evaluar su desempeño teniendo en cuenta los aspectos energético, exergético y ACV. El objetivo de este estudio fue proporcionar información técnica de ingeniería sobre cómo sería el sistema en la realidad y cuáles son las ventajas/desventajas de implementar este sistema en lugar de considerar los aspectos comerciales. Por lo tanto, la investigación sobre el análisis de costos del sistema sugerido puede ser un tema interesante para futuros estudios.

En este estudio, se concluyó que una mayor densidad de corriente de las pilas SOFC conduce a una menor eficiencia de estas pilas, lo que reduce el rendimiento general. Este estudio sólo ha considerado los impactos de la densidad de corriente, que es común para regular la potencia de salida de las pilas SOFC. Sin embargo, puede resultar interesante estudiar otros factores, como la utilización de combustible, la proporción de exceso de aire, etc., para futuras investigaciones.

Disponible previa solicitud formal del autor correspondiente.

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Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del Acuerdo de Subvención Marie Sklodowska-Curie nº 754354.

Grupo de Materiales Energéticos, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, 1951, Sion, Suiza

Hossein Pourrahmani, Chengzhang Xu y Jan Van Herle

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Declaración del autorH.P. (Autor correspondiente), metodología, software, evaluación del ciclo de vida, análisis formal, visualización, redacción—borrador original, redacción—revisión y edición, administración de proyectos. Software CX, análisis termodinámico, conceptualización. Supervisión JVh.

Correspondencia a Hossein Pourrahmani.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Pourrahmani, H., Xu, C. y Van herle, J. Las evaluaciones termodinámicas y del ciclo de vida de una nueva estación de carga para vehículos eléctricos en condiciones dinámicas y de estado estable. Representante científico 13, 11159 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38387-0

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Recibido: 05 de noviembre de 2022

Aceptado: 07 de julio de 2023

Publicado: 10 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38387-0

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