La thermodynamique et la vie

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11159 (2023) Citer cet article

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La présente étude effectue les évaluations thermodynamiques et du cycle de vie (ACV) d'une nouvelle borne de recharge dans deux conceptions de système. L’objectif est de concevoir une station de recharge efficace pour véhicules électriques, à haut rendement et à faible impact environnemental, grâce à la technologie des piles à combustible à oxyde solide (SOFC). La SOFC est considérée comme une technologie durable et respectueuse de l'environnement pour produire de l'électricité par rapport aux moteurs à combustion. Pour améliorer les performances, la chaleur d'échappement des piles SOFC sera récupérée pour la production d'hydrogène dans un électrolyseur. Le système utilise quatre SOFC pour charger les véhicules électriques tandis que la chaleur produite est récupérée par un cycle de Rankine organique (ORC) pour générer davantage d'électricité pour la production d'hydrogène dans un électrolyseur. Dans la première conception, on suppose que les piles SOFC fonctionneront à pleine charge pendant 24 h de la journée, tandis que la deuxième conception considère un fonctionnement à pleine charge pendant 16 h et un fonctionnement à charge partielle (30 %) pendant 8 h. La deuxième conception du système analyse la possibilité d'intégrer une batterie lithium-ion \({\mathrm{LiMn}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}\) stockant l'électricité excédentaire une fois la charge électrique est faible et agit comme une sauvegarde en cas de demande de puissance élevée. Les résultats de l'analyse thermodynamique ont calculé des rendements globaux de 60,84 % et 60,67 % pour l'énergie et l'exergie, respectivement, avec une production correspondante d'énergie et d'hydrogène de 284,27 kWh et 0,17 g/s. Il a été observé qu’une densité de courant plus élevée augmenterait le rendement de la SOFC tout en réduisant l’efficacité énergétique et exergétique globale. En fonctionnement dynamique, l'utilisation des batteries peut bien équilibrer les changements de charges de puissance et améliorer la réponse dynamique du système aux changements simultanés de la demande de puissance. Les résultats de l'ACV ont également montré que le système de 284,27 kWh entraîne un réchauffement climatique (kg \({\mathrm{CO}}_{2}\) eq) de 5,17E+05, 4,47E+05 et 5,17E+05 en utilisant Solid. Électrolyseur à oxyde (SOE), électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEME) et électrolyseur alcalin (ALE), respectivement. À cet égard, l’utilisation du PEME a le plus faible impact sur l’environnement par rapport au SOEC et à l’ALE. Une comparaison entre les impacts environnementaux des différents fluides de travail d'ORC a également suggéré de ne pas utiliser le R227ea, tandis que le R152a a montré des résultats prometteurs pour son utilisation dans le système. L’étude sur la taille et le poids a également révélé que la batterie bénéficie du volume et du poids les plus faibles par rapport aux autres composants. Parmi les composants considérés dans cette étude, l'unité SOFC et le PEME ont de loin le volume le plus élevé.

Avec les progrès actuels des véhicules électriques (VE), les infrastructures nécessaires ainsi que les politiques devraient être améliorées pour accélérer les déploiements à grande échelle1. L’un des principaux obstacles à la commercialisation accrue des véhicules électriques est le manque de bornes de recharge dans le monde2. Le choix de la bonne technologie pour produire l’électricité requise reste encore discutable3. Par exemple, à titre d’étude de cas, la demande de véhicules électriques en Scandinavie et en Allemagne a été satisfaite par l’énergie éolienne et l’énergie thermique en utilisant un modèle d’investissement de minimisation des coûts4. La technologie candidate doit être efficace et respectueuse de l’environnement pour constituer une option prometteuse pour de futurs investissements. De plus, un effort concentré doit être fait sur les conditions opérationnelles du système de livraison pour optimiser les performances, comme mentionné par Jayachandran et al.5. L’utilisation de piles à combustible dans une borne de recharge peut être un choix intéressant puisque la perte de transport du gaz est bien moindre que celle de l’électricité.

Les piles à combustible sont des dispositifs électrochimiques qui produisent de l'électricité de manière respectueuse de l'environnement6. Les piles à combustible sont considérées comme des alternatives compétitives aux appareils à base de combustibles fossiles en raison de émissions plus faibles et d'un meilleur rendement. Elles présentent un avantage global sur les batteries en termes de densité énergétique, comme mentionné dans la réf.7. Malik et al.8 ont réalisé une étude comparative pour souligner que les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) avec une plage de températures de fonctionnement de 800 °C à 1 200 °C sont principalement utilisées pour des applications stationnaires, tandis que les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont plus utilisées. approprié à des fins de mobilité. Le fonctionnement à haute température des SOFC leur permet de disposer d'un choix plus flexible de combustibles tels que l'ammoniac et le biogaz, comme mentionné par Fuerte et al.9 et Saadabadi et al.10, respectivement. Comme de la chaleur est également produite pendant le processus de fonctionnement d'une SOFC, l'intégration d'un cycle pour réutiliser la chaleur d'échappement de la SOFC présente un intérêt pour la conception de systèmes intégrés plus efficaces.