열역학과 생명

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11159(2023) 이 기사 인용

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현재 연구에서는 두 가지 시스템 설계에서 새로운 충전소의 열역학 및 수명주기 평가(LCA)를 수행합니다. 목표는 고체산화물 연료전지(SOFC) 기술을 사용하여 효율성은 높고 환경에 미치는 영향은 낮은 효율적인 전기 자동차 충전소를 설계하는 것입니다. SOFC는 연소 엔진에 비해 전기를 생산하는 지속 가능하고 환경 친화적인 기술로 간주됩니다. 성능을 개선하기 위해 SOFC 스택의 배기열은 전해조에서 수소 생산을 위해 회수됩니다. 이 시스템은 4개의 SOFC를 사용하여 전기 자동차를 충전하고 출력 열은 유기 랭킨 사이클(ORC)에 의해 회수되어 전해조에서 수소 생산을 위한 추가 전기를 생성합니다. 첫 번째 설계에서는 SOFC 스택이 하루 24시간 동안 최대 부하로 작동한다고 가정하고, 두 번째 설계에서는 16시간 동안 최대 부하 작동, 8시간 동안 부분 부하(30%) 작동을 고려합니다. 시스템의 두 번째 설계는 전력 부하가 발생하면 초과 전기를 저장하는 \({\mathrm{LiMn}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}\) 리튬 이온 배터리 통합 가능성을 분석합니다. 낮고 전력 수요가 높을 때 백업 역할을 합니다. 열역학적 분석 결과, 에너지와 엑서지에 대한 전체 효율은 각각 60.84%와 60.67%로 계산되었으며, 해당 전력과 수소 생산량은 284.27kWh와 0.17g/s였습니다. 더 높은 전류 밀도는 SOFC의 출력을 증가시키는 동시에 전체 에너지 및 엑서지 효율을 감소시키는 것으로 관찰되었습니다. 동적 작동에서 배터리를 사용하면 전력 부하 변화의 균형을 잘 맞추고 전력 수요의 동시 변화에 대한 시스템의 동적 응답을 향상시킬 수 있습니다. LCA 결과도 Solid를 사용하여 284.27kWh 시스템이 5.17E+05, 4.47E+05, 5.17E+05의 지구 온난화(kg \({\mathrm{CO}}_{2}\) eq)를 초래하는 것으로 나타났습니다. 각각 산화물 전해조(SOE), 양성자 교환막 전해조(PEME), 알칼리성 전해조(ALE)입니다. 이런 점에서 PEME의 사용은 SOEC, ALE에 비해 환경에 미치는 영향이 가장 적습니다. 다양한 ORC 작동 유체가 환경에 미치는 영향을 비교한 결과 R227ea를 사용하는 것이 반대인 반면 R152a는 시스템에 사용할 수 있는 유망한 결과를 보여주었습니다. 또한 크기 및 무게 연구에 따르면 배터리는 다른 구성 요소에 비해 부피와 무게가 가장 적다는 이점이 있는 것으로 나타났습니다. 본 연구에서 고려된 구성요소 중에서 SOFC 장치와 PEME가 가장 많은 양을 가지고 있습니다.

현재 전기 자동차(EV)가 발전함에 따라 대규모 배포를 가속화하려면 정책 외에도 필요한 인프라를 개선해야 합니다1. EV 상용화를 가로막는 주요 장애물 중 하나는 전 세계적으로 충전소가 부족하다는 점입니다2. 필요한 전기를 생산하기 위한 올바른 기술을 선택하는 것은 여전히 ​​논쟁의 여지가 있습니다3. 예를 들어, 사례 연구로서 스칸디나비아-독일의 EV에 대한 수요는 비용 최소화 투자 모델을 사용하여 풍력 및 화력 발전을 통해 제공되었습니다4. 후보 기술은 추가 투자를 위한 유망한 옵션이 되기 위해 효율적이고 환경친화적이어야 합니다. 또한 Jayachandran et al.5에서 언급한 것처럼 성능을 최적화하려면 전달 시스템의 작동 조건에 집중적인 노력을 기울여야 합니다. 가스의 운송 손실이 전기의 운송 손실보다 훨씬 작기 때문에 충전소에서 연료 전지를 사용하는 것은 흥미로운 선택이 될 수 있습니다.

연료전지는 환경친화적인 방식으로 전기를 생산하는 전기화학 장치입니다6. 연료전지는 배출량이 적고 효율성이 높기 때문에 화석 기반 장치에 대한 경쟁력 있는 대안으로 간주되며 Ref.7에서 언급한 것처럼 에너지 밀도 측면에서 배터리에 비해 전반적인 이점이 있습니다. Malik 등8은 작동 온도 범위가 800°C ~ 1200°C인 고체 산화물 연료 전지(SOFC)가 주로 고정 응용 분야에 사용되는 반면 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC)는 더 많이 사용된다는 점을 강조하기 위해 비교 연구를 수행했습니다. 이동 목적에 적합합니다. SOFC의 고온 작동을 통해 Fuerte et al.9 및 Saadabadi et al.10에서 각각 언급한 바와 같이 암모니아 및 바이오가스와 같은 연료를 보다 유연하게 선택할 수 있습니다. SOFC의 작동 과정에서도 열이 발생하므로 SOFC의 배기열을 재사용하기 위한 사이클을 통합하는 것은 보다 효율적인 통합 시스템을 설계하는 데 중요합니다.