A termodinâmica e a vida

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11159 (2023) Citar este artigo

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O presente estudo realiza avaliações termodinâmicas e do ciclo de vida (LCA) de uma nova estação de carregamento em dois projetos de sistema. O objetivo é projetar uma estação de recarga eficiente para veículos elétricos, com alta eficiência e baixo impacto ambiental, utilizando a tecnologia de Célula de Combustível de Óxido Sólido (SOFC). SOFC é considerada uma tecnologia sustentável e ecologicamente correta para gerar eletricidade em comparação aos motores de combustão. Para melhorar o desempenho, o calor de exaustão das pilhas SOFC será recuperado para a produção de hidrogênio em um eletrolisador. O sistema utiliza quatro SOFCs para carregar os veículos elétricos enquanto o calor produzido é recuperado por um Ciclo Rankine Orgânico (ORC) para gerar mais eletricidade para a produção de hidrogênio em um eletrolisador. No primeiro projeto, assume-se que as pilhas SOFC funcionarão em plena carga durante as 24 horas do dia, enquanto o segundo projeto considera a operação em plena carga por 16 horas e em carga parcial (30%) por 8 horas. O segundo projeto do sistema analisa a possibilidade de integração de uma bateria de íons de lítio \({\mathrm{LiMn}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}\) que armazena o excesso de eletricidade assim que a carga de energia é baixo e atua como backup em altas demandas de energia. Os resultados da análise termodinâmica calcularam as eficiências globais de 60,84% e 60,67% para a energia e exergia, respectivamente, com a correspondente produção de potência e hidrogénio de 284,27 kWh e 0,17 g/s. Observou-se que uma maior densidade de corrente aumentaria a produção de SOFC enquanto reduzia a eficiência geral de energia e exergia. Na operação dinâmica, o uso das baterias pode equilibrar bem a mudança nas cargas de energia e melhorar a resposta dinâmica do sistema às mudanças simultâneas na demanda de energia. Os resultados da LCA também mostraram que o sistema de 284,27 kWh leva ao aquecimento global (kg \({\mathrm{CO}}_{2}\) eq) de 5,17E+05, 4,47E+05 e 5,17E+05 usando Solid Eletrolisador de Óxido (SOE), Eletrolisador de Membrana de Troca de Prótons (PEME) e Eletrolisador Alcalino (ALE), respectivamente. A este respeito, a utilização do PEME tem o menor impacto no ambiente em comparação com o SOEC e o ALE. Uma comparação entre os impactos ambientais de diferentes fluidos de trabalho do ORC também sugeriu contra o uso do R227ea, enquanto o R152a mostrou resultados promissores para ser usado no sistema. O estudo de tamanho e peso também revelou que a bateria se beneficia do menor volume e peso em comparação aos demais componentes. Entre os componentes considerados neste estudo, a unidade SOFC e o PEME apresentam, de longe, o maior volume.

Com os actuais avanços nos veículos eléctricos (VE), a infra-estrutura necessária, além das políticas, deve ser melhorada para acelerar as implementações em grande escala1. Uma das principais barreiras à comercialização adicional de VE é a falta de estações de carregamento em todo o mundo2. A seleção da tecnologia certa para gerar a eletricidade necessária ainda é discutível3. Por exemplo, como estudo de caso, a procura de VE na Escandinávia-Alemanha tem sido suprida pela energia eólica e térmica utilizando um modelo de investimento de minimização de custos4. A tecnologia candidata deve ser eficiente e amiga do ambiente para ser uma opção promissora para novos investimentos. Além disso, um esforço concentrado deve ser feito nas condições operacionais do sistema de entrega para otimizar o desempenho conforme mencionado por Jayachandran et al.5. A utilização de células de combustível numa estação de carregamento pode ser uma escolha interessante, uma vez que a perda de gás no transporte é muito menor do que a de eletricidade.

As células de combustível são dispositivos eletroquímicos que produzem eletricidade de forma ecologicamente correta6. As células de combustível são consideradas alternativas competitivas para dispositivos baseados em combustíveis fósseis devido às emissões mais baixas e melhores eficiências e têm vantagem global sobre as baterias em termos de densidade de energia, conforme mencionado na Ref.7. Malik et al.8 realizaram um estudo comparativo para enfatizar que as Células a Combustível de Óxido Sólido (SOFCs) com uma faixa de temperatura operacional de 800 °C a 1200 °C estão sendo usadas principalmente para aplicações estacionárias, enquanto as Células a Combustível de Membrana Trocadora de Prótons (PEMFCs) são mais apropriado para fins de mobilidade. A operação em alta temperatura das SOFCs permite que elas tenham uma escolha mais flexível de combustíveis, como amônia e biogás, conforme mencionado por Fuerte et al.9 e Saadabadi et al.10, respectivamente. Como o calor também é produzido durante o processo de trabalho de uma SOFC, a integração de um ciclo para reutilizar o calor de exaustão da SOFC é de interesse para projetar sistemas integrados mais eficientes.