La termodinamica e la vita

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11159 (2023) Citare questo articolo

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Il presente studio esegue le valutazioni termodinamiche e del ciclo di vita (LCA) di una nuova stazione di ricarica in due progetti di sistema. L’obiettivo è progettare un’efficiente stazione di ricarica per veicoli elettrici ad alta efficienza e basso impatto ambientale utilizzando la tecnologia Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). La SOFC è considerata una tecnologia sostenibile ed ecologica per generare elettricità rispetto ai motori a combustione. Per migliorare le prestazioni, il calore di scarico degli stack SOFC verrà recuperato per la produzione di idrogeno in un elettrolizzatore. Il sistema utilizza quattro SOFC per caricare i veicoli elettrici mentre il calore in uscita viene recuperato da un ciclo Rankine organico (ORC) per generare ulteriore elettricità per la produzione di idrogeno in un elettrolizzatore. Nel primo progetto si presuppone che gli stack SOFC funzionino a pieno carico durante le 24 ore del giorno, mentre il secondo progetto considera il funzionamento a pieno carico per 16 ore e il funzionamento a carico parziale (30%) per 8 ore. Il secondo progetto del sistema analizza la possibilità di integrare una batteria agli ioni di litio \({\mathrm{LiMn}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}\) che immagazzina l'elettricità in eccesso una volta terminato il carico di alimentazione è basso e funge da backup in caso di richieste di alimentazione elevate. I risultati dell'analisi termodinamica hanno calcolato le efficienze complessive del 60,84% e del 60,67% rispettivamente per l'energia e l'exergia, con la corrispondente produzione di potenza e idrogeno di 284,27 kWh e 0,17 g/s. È stato osservato che una densità di corrente più elevata aumenterebbe la produzione di SOFC riducendo al contempo le efficienze energetiche ed exergetiche complessive. Nel funzionamento dinamico, l'uso delle batterie può bilanciare bene la variazione dei carichi di potenza e migliorare la risposta dinamica del sistema ai cambiamenti simultanei della richiesta di potenza. I risultati dell'LCA hanno anche mostrato che il sistema da 284,27 kWh porta al riscaldamento globale (kg \({\mathrm{CO}}_{2}\) eq) di 5,17E+05, 4,47E+05 e 5,17E+05 utilizzando Solid Rispettivamente l'elettrolizzatore di ossido (SOE), l'elettrolizzatore a membrana a scambio protonico (PEME) e l'elettrolizzatore alcalino (ALE). A questo proposito, l’utilizzo del PEME ha l’impatto più basso sull’ambiente rispetto a SOEC e ALE. Anche un confronto tra gli impatti ambientali dei diversi fluidi di lavoro dell'ORC ha suggerito di non utilizzare l'R227ea, mentre l'R152a ha mostrato risultati promettenti per l'utilizzo nel sistema. Lo studio su dimensioni e peso ha anche rivelato che la batteria beneficia del volume e del peso più bassi rispetto agli altri componenti. Tra i componenti considerati in questo studio, l’unità SOFC e il PEME hanno di gran lunga il volume più elevato.

Con gli attuali progressi nel campo dei veicoli elettrici (EV), le infrastrutture necessarie oltre alle politiche dovrebbero essere migliorate per accelerare la diffusione su larga scala1. Uno dei principali ostacoli all’ulteriore commercializzazione dei veicoli elettrici è la mancanza di stazioni di ricarica in tutto il mondo2. La scelta della giusta tecnologia per generare l’elettricità necessaria è ancora oggetto di discussione3. Ad esempio, come caso di studio, la domanda di veicoli elettrici in Scandinavia-Germania è stata soddisfatta dall’energia eolica e termica utilizzando un modello di investimento di minimizzazione dei costi4. La tecnologia candidata dovrebbe essere efficiente e rispettosa dell’ambiente per rappresentare un’opzione promettente per ulteriori investimenti. Inoltre, dovrebbe essere fatto uno sforzo concentrato sulle condizioni operative del sistema di consegna per ottimizzare le prestazioni, come menzionato da Jayachandran et al.5. L'utilizzo di celle a combustibile in una stazione di ricarica può essere una scelta interessante poiché la perdita di gas nel trasporto è molto inferiore a quella dell'elettricità.

Le celle a combustibile sono dispositivi elettrochimici che producono elettricità in modo rispettoso dell'ambiente6. Le celle a combustibile sono considerate alternative competitive per i dispositivi a base fossile a causa delle minori emissioni e della migliore efficienza e presentano un vantaggio complessivo rispetto alle batterie in termini di densità energetica, come menzionato nel Rif.7. Malik et al.8 hanno condotto uno studio comparativo per sottolineare che le celle a combustibile a ossido solido (SOFC) con un intervallo di temperatura operativa compreso tra 800 °C e 1200 °C vengono utilizzate principalmente per applicazioni stazionarie, mentre le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) sono più adatti ai fini della mobilità. Il funzionamento ad alta temperatura delle SOFC consente loro di avere una scelta più flessibile di combustibili come ammoniaca e biogas, come menzionato rispettivamente da Fuerte et al.9 e Saadabadi et al.10. Poiché il calore viene prodotto anche durante il processo di lavoro di una SOFC, l'integrazione di un ciclo per riutilizzare il calore di scarico della SOFC è interessante per la progettazione di sistemi integrati più efficienti.