Die Thermodynamik und das Leben

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 11159 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die aktuelle Studie führt die thermodynamische und Ökobilanzierung (LCA) einer neuartigen Ladestation in zwei Systemdesigns durch. Ziel ist es, mithilfe der SOFC-Technologie (Solid Oxide Fuel Cell) eine effiziente Ladestation für Elektrofahrzeuge mit hohem Wirkungsgrad und geringer Umweltbelastung zu entwickeln. SOFC gilt im Vergleich zu Verbrennungsmotoren als nachhaltige und umweltfreundliche Technologie zur Stromerzeugung. Um die Leistung zu verbessern, wird die Abwärme der SOFC-Stacks zur Wasserstoffproduktion in einem Elektrolyseur zurückgewonnen. Das System nutzt vier SOFCs, um die Elektrofahrzeuge aufzuladen, während die abgegebene Wärme durch einen Organic Rankine Cycle (ORC) zurückgewonnen wird, um weiteren Strom für die Wasserstoffproduktion in einem Elektrolyseur zu erzeugen. Im ersten Entwurf wird davon ausgegangen, dass die SOFC-Stacks während 24 Stunden des Tages unter Volllast arbeiten, während der zweite Entwurf einen Volllastbetrieb für 16 Stunden und einen Teillastbetrieb (30 %) für 8 Stunden berücksichtigt. Der zweite Entwurf des Systems analysiert die Möglichkeit der Integration einer \({\mathrm{LiMn}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}\)-Lithium-Ionen-Batterie, die den überschüssigen Strom speichert, sobald die Stromlast abnimmt ist niedrig und dient als Backup bei hohem Strombedarf. Die Ergebnisse der thermodynamischen Analyse ergaben einen Gesamtwirkungsgrad von 60,84 % bzw. 60,67 % für Energie und Exergie, mit einer entsprechenden Strom- und Wasserstoffproduktion von 284,27 kWh und 0,17 g/s. Es wurde beobachtet, dass eine höhere Stromdichte die Leistung der SOFC steigern und gleichzeitig die Gesamtenergie- und Exergieeffizienz verringern würde. Im dynamischen Betrieb kann der Einsatz der Batterien den Wechsel der Stromlasten gut ausgleichen und die dynamische Reaktion des Systems auf gleichzeitige Änderungen des Strombedarfs verbessern. Die LCA-Ergebnisse zeigten auch, dass das 284,27-kWh-System bei Verwendung von Solid zu einer globalen Erwärmung (kg \({\mathrm{CO}}_{2}\) eq) von 5,17E+05, 4,47E+05 und 5,17E+05 führt Oxide Electrolyzer (SOE), Proton Exchange Membrane Electrolyzer (PEME) bzw. Alkaline Electrolyzer (ALE). In dieser Hinsicht hat der Einsatz von PEME im Vergleich zu SOEC und ALE die geringsten Auswirkungen auf die Umwelt. Ein Vergleich zwischen den Umweltauswirkungen verschiedener ORC-Arbeitsflüssigkeiten sprach ebenfalls gegen die Verwendung von R227ea, während R152a vielversprechende Ergebnisse für die Verwendung im System zeigte. Die Größen- und Gewichtsstudie ergab außerdem, dass die Batterie im Vergleich zu den anderen Komponenten vom geringsten Volumen und Gewicht profitiert. Unter den in dieser Studie betrachteten Komponenten weisen die SOFC-Einheit und das PEME mit Abstand das größte Volumen auf.

Angesichts der aktuellen Fortschritte bei Elektrofahrzeugen (EVs) sollte neben den Richtlinien auch die erforderliche Infrastruktur verbessert werden, um den groß angelegten Einsatz zu beschleunigen1. Eines der Haupthindernisse für die weitere Kommerzialisierung von Elektrofahrzeugen ist der Mangel an Ladestationen auf der ganzen Welt2. Die Wahl der richtigen Technologie zur Erzeugung des benötigten Stroms ist immer noch umstritten3. Als Fallstudie wurde beispielsweise die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen in Skandinavien und Deutschland durch Windkraft und Wärmekraft mithilfe eines kostenminimierenden Investitionsmodells gedeckt4. Die Kandidatentechnologie sollte effizient und umweltfreundlich sein, um eine vielversprechende Option für weitere Investitionen zu sein. Darüber hinaus sollten besondere Anstrengungen auf die Betriebsbedingungen des Liefersystems unternommen werden, um die Leistung zu optimieren, wie von Jayachandran et al.5 erwähnt. Der Einsatz von Brennstoffzellen in einer Ladestation kann eine interessante Option sein, da der Transportverlust von Gas viel geringer ist als der von Strom.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Geräte, die auf umweltfreundliche Weise Strom erzeugen6. Brennstoffzellen gelten aufgrund geringerer Emissionen und besserer Effizienz als wettbewerbsfähige Alternativen für Geräte auf fossiler Basis und haben im Hinblick auf die Energiedichte, wie in Ref. 7 erwähnt, einen allgemeinen Vorteil gegenüber Batterien. Malik et al.8 führten eine Vergleichsstudie durch, um hervorzuheben, dass Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) mit einem Betriebstemperaturbereich von 800 °C bis 1200 °C hauptsächlich für stationäre Anwendungen verwendet werden, während Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) häufiger eingesetzt werden für Mobilitätszwecke geeignet. Der Hochtemperaturbetrieb der SOFCs ermöglicht ihnen eine flexiblere Auswahl an Brennstoffen wie Ammoniak und Biogas, wie von Fuerte et al.9 bzw. Saadabadi et al.10 erwähnt. Da während des Arbeitsprozesses einer SOFC auch Wärme erzeugt wird, ist die Integration eines Kreislaufs zur Wiederverwendung der Abwärme der SOFC für die Entwicklung effizienterer integrierter Systeme von Interesse.

In kombinierten Systemen können unterschiedliche Bodenbildungszyklen eingesetzt werden, um die Effizienz und Leistung zu verbessern11. Zhang et al.12 gaben an, dass sich unter den eingeführten Bottoming-Zyklen der Organic Ranking Cycle (ORC) im Vergleich zu den anderen verfügbaren Alternativen als effizienter erwiesen hat. Danach profitiert ORC von der Möglichkeit, Wärme in einem vergleichsweise niedrigen Temperaturbereich von 80 °C bis 350 °C13 zurückzugewinnen. Somit kann die Integration dieses Kreislaufs zur Rückgewinnung der Abwärme der SOFC-Einheiten die Gesamteffizienz drastisch verbessern. Aliahmadi et al.14 nutzten einen ORC-Kreislauf, um die Wärme aus geothermischen Quellen zurückzugewinnen und einen Exergiewirkungsgrad von rund 60 % zu erreichen. Asghari et al.15 nutzten ORC, um die Wärme der SOFC zurückzugewinnen, die zur Stromversorgung der Absorptionskältemaschine zu Kühlzwecken verwendet wird. In ähnlichen Studien von Pourrahmani et al. wurde die Abwärme der SOFC-Einheiten mithilfe von ORC16 und dem Absorptionskühlsystem17 zurückgewonnen, um Strom bzw. Kühlung bereitzustellen. Obwohl die Hinzufügung der Bottoming-Zyklen die Energieeffizienz verbessern wird, sollten Exergieeffizienz, Umweltauswirkungen, Kosten, Größe, Gewicht und andere Parameter im Detail analysiert werden, um für Ladestationsanwendungen berücksichtigt zu werden. Außerdem kann der vom ORC erzeugte Strom direkt in der Ladestation genutzt oder in einem Elektrolyseur zur Herstellung von Wasserstoff genutzt werden. Obwohl in der Literatur eine SOFC-basierte Ladestation vorgeschlagen wurde16, kann eine weitere Abwärmerückgewinnung der SOFC-Einheit mithilfe der ORC- und Elektrolyseureinheiten erfolgen, die bisher nicht analysiert wurden.

Unter den verschiedenen Arten von Elektrolyseuren gilt der Protonenaustauschmembran-Elektrolyseur (PEME) als der am meisten kommerzialisierte Typ mit bemerkenswerten Vorteilen wie großer Stromdichte, hoher Wasserstoffreinheit und hoher Umwandlungseffizienz18. Die PEME-Einheit kann mit anderen Kreisläufen kombiniert werden, um Wasserstoff in Kraft-Wärme-Kopplungssystemen zu erzeugen. Der Entwurf einer Ladestation, die Elektrofahrzeuge mit Strom versorgt, ermöglicht einen besseren Übergang von Fahrzeugen, die auf fossilen Brennstoffen basieren, zu umweltfreundlichen Alternativen. Wie von Al Wahedi et al.19 erwähnt, erfordert das effiziente Design der Ladestation auch die Integration einer Speichereinheit, um den überschüssigen Strom bei geringem Strombedarf zu speichern und bei hohem Strombedarf Strom bereitzustellen.

Der Einsatz von Batterien in Stromerzeugungssystemen hängt neben der Beschleunigung des Ladevorgangs hauptsächlich mit dem Speicher-/Backup-System zusammen, was von Deng et al.20 analysiert wurde. Der Einsatz von Batterien ermöglicht eine effizientere Leistung der anderen Stromerzeugungskomponenten im System. Beispielsweise können bei Photovoltaik-Solarmodulen Batterien die von der Sonne empfangene Energie speichern und die Leistung des Systems ermöglichen, indem sie nachts Strom liefern. Bei Ladestationen kann der Strombedarf zu bestimmten Tageszeiten geringer sein, daher können Batterien als Backup-/Speichersystem in Stromversorgungssystemen verwendet werden21. Die Charakterisierung der dynamischen und LCA-Leistungen des Systems ermöglicht den Behörden bessere Entscheidungen. Obwohl der Einsatz von Brennstoffzellentechnologie und ORC im Vergleich zu auf fossilen Brennstoffen basierenden Technologien zur Stromerzeugung als interessantere Option angesehen werden kann, ist auch eine detaillierte Ökobilanz (LCA) erforderlich. Obwohl in einer früheren Studie der Autoren17 eine SOFC-basierte Ladestation vorgeschlagen und unter verschiedenen Aspekten bewertet wurde, die auch über ein Absorptionssystem für Kühlung sorgte, waren die Rolle der Elektrolyseeinheit, verschiedene Arten von SOFC-Brennstoffen und die Arbeitsflüssigkeiten von ORC zu berücksichtigen wurden nicht auf die Umweltauswirkungen des Systems und die Leistung des Systems untersucht. Darüber hinaus profitiert die aktuelle Studie von einer detaillierten Ökobilanz-, Gewichts- und Größenanalyse, die die aktuelle Studie vom vorhandenen Wissen in der Literatur abhebt.

Mithilfe der Ökobilanz können die Umweltauswirkungen eines kommerziellen Produkts in allen möglichen Phasen seines Lebenszyklus ermittelt werden22. Beispielsweise kann im Fall von SOFC der in das System eingespritzte Kraftstoff unterschiedlich sein, was sich entsprechend auf die Umweltauswirkungen von SOFC auswirkt. Durch die Durchführung der Ökobilanz für das vorgeschlagene System können die Umweltauswirkungen auf die menschliche Gesundheit, das Ökosystem und die Ressourcen ermittelt werden23. Darüber hinaus kann es nützliche Informationen über die Auswirkungen des Systems auf die globale Erwärmung, den Wasserverbrauch, die ionisierende Strahlung, die Ozonbildung usw. liefern.24 In dieser Hinsicht kann die Durchführung einer Ökobilanzanalyse für das aktuell vorgeschlagene System die bestehende Lücke in den Forschungsstudien schließen und den Entscheidungsträgern angemessene Informationen liefern.

Ziel dieser Studie ist es, die effiziente Gestaltung einer Ladestation für Elektrofahrzeuge vorzuschlagen. Daher wurde ein Blockheizkraftwerk mit vier SOFC-Stacks und einer ORC-Einheit zur Abwärmenutzung mit und ohne Speichereinheit vorgeschlagen. Obwohl diese Ladestation darauf abzielt, Strom für Elektrofahrzeuge bereitzustellen, kann der im betrachteten Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff auch den benötigten Wasserstoff für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge liefern. Das PEME wird den vom ORC erzeugten Strom nutzen, der die Abwärme der SOFC-Stacks zurückgewinnt. Im ersten Schritt wird das System ohne die Backup-/Speichereinheit analysiert. Anschließend wird eine dynamische Charakterisierung einschließlich der Batterien durchgeführt. Sobald die Batterien kombiniert sind, werden drei SOFC-Stacks nachts teilweise in Betrieb sein, wie es die Lithium-Ionen-Batterie \({\mathrm{LiMn}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}\) leisten kann den benötigten Strom. Darüber hinaus wird das System anhand von Energie- und Exergiecharakterisierungen analysiert, um die Gesamtwirkungsgrade, die Ausgangsleistung und die Wasserstoffproduktion zu berechnen. Darüber hinaus wurden die Umweltauswirkungen der vorgeschlagenen integrierten Systeme mit LCA analysiert, wobei verschiedene Arten von Brennstoffen für die SOFC-Stacks, Arbeitsflüssigkeiten für den ORC und Technologien für die Elektrolyseeinheit berücksichtigt wurden. Zusammenfassend lassen sich die Neuheiten der aktuellen Studie wie folgt kategorisieren:

Vorschlag eines neuartigen Designs für die Ladestationen mit SOFC-Technologie als Hauptantrieb und anschließender Wärmerückgewinnung durch die ORC- und Elektrolyseeinheiten. Drei verschiedene Arten von Elektrolyseuren wurden nach der Integration in die anderen Komponenten analysiert und die Auswirkungen auf die Umwelt analysiert. Die erforderlichen Gleichungen zur Durchführung der thermodynamischen Analyse wurden unter Berücksichtigung des integrierten Elektrolyseurs abgeleitet.

Konzentrierte Bemühungen auf die Umweltauswirkungen des vorgeschlagenen Systems unter Berücksichtigung der verschiedenen Arten von Brennstoffen für die SOFC-Einheit. Darüber hinaus wurden die Umweltauswirkungen verschiedener Arten von Elektrolyseuren analysiert und diskutiert. Die wichtige Rolle der Auswahl des richtigen ORC-Arbeitsmediums wurde in einer detaillierten LCA-Analyse hervorgehoben.

Bewerten Sie die Größe und das Gewicht des vorgeschlagenen Systems, um mit einem kompakten System eine angemessene Leistung zu erzielen.

Die dynamische Reaktion des Systems unter Berücksichtigung der Änderungen im Strombedarf der Ladestation und der jeweiligen Auswirkungen auf die Leistung des Elektrolyseurs und des Wärmerückgewinnungssystems.

Im derzeit vorgeschlagenen Mehrgenerationensystem besteht das Hauptziel darin, mithilfe von SOFC-Stacks Strom für Elektrofahrzeuge zu erzeugen. So werden vier SOFC-Stacks integriert, um den benötigten Strom für Elektrofahrzeuge zu erzeugen. Die Abwärme dieser vier Stapel wird an einen ORC übertragen und dort in Strom umgewandelt. Abbildung 1 zeigt das detaillierte Schema der Ladestation und zeigt die thermodynamischen Zustände im stationären Zustand an. Jeder SOFC-Stapel liefert den erforderlichen Strom für seine Kompressoren und Pumpen. Anschließend wird der überschüssige Strom zum Laden der Elektrofahrzeuge verwendet. Die ORC-Turbine erzeugt zusätzlich zum benötigten Strom für die PEME auch den benötigten Strom für die ORC-Pumpe. Hier wurde ein PEME verwendet, um Wasserstoff aus dem erzeugten Strom der ORC-Einheit bereitzustellen. Mit anderen Worten: Die Abwärme der SOFC-Stacks wird von der ORC-Einheit wiederverwendet und Strom erzeugt, der als Input für das PEME dient.

Die Details des stationären Kraft-Wärme-Kopplungssystems zur Erzeugung von Wasserstoff und Strom als Ladestation für Elektrofahrzeuge. (Die Zahl wurde mit OriginPro, Version 9.9, 2022 ermittelt. OriginLab Corporation, Northampton, MA, USA, verfügbar unter: https://www.originlab.com/).

In Bezug auf Abb. 1 sollte berücksichtigt werden, dass vier verschiedene SOFC-Stacks unabhängig voneinander arbeiten. Der Betrieb jedes SOFC-Stacks erfordert den Einsatz von Vorwärmern, Pumpen, Kompressoren usw., daher arbeiten vier verschiedene SOFC-Einheiten unabhängig voneinander. Jede SOFC-Einheit umfasst einen SOFC-Stack, drei Vorwärmer, zwei Kompressoren, eine Pumpe, einen Mischer, einen Wechselrichter und einen Nachbrenner. Wie in Abb. 1 dargestellt, bilden die vier SOFC-Einheiten zusätzlich zur ORC-Einheit und der PEME-Einheit das entworfene integrierte System, das als Ladestation für die Elektrofahrzeuge fungiert. In dieser Studie werden alle angegebenen Komponenten des integrierten Systems in Abb. 1 modelliert, einschließlich der SOFC-Einheit (einschließlich SOFC-Stack, Kompressoren, Vorwärmern, Pumpe, Mischer, Nachbrenner und Wechselrichter), der PEME-Einheit (einschließlich PEM). Elektrolyseur, PEM-Vorwärmer, Separator und Wasserstofftank) und ORC-Einheit (einschließlich Verdampfer, Turbine, Pumpe und Kondensator) und bewerten die Leistung unter energetischen, exergetischen und ökologischen Gesichtspunkten.

Unter Berücksichtigung der Speichereinheit wird die Arbeitslast der SOFC-Stacks nachts reduziert, sobald die Stromlast geringer ist als tagsüber. Daher wird davon ausgegangen, dass SOFC1, SOFC2 und SOFC3 von 22:00 bis 6:00 Uhr im Teillastbetrieb (30 %) arbeiten, während SOFC4 immer im Volllastbetrieb arbeitet. Angesichts der Möglichkeit eines plötzlichen Anstiegs/Rückgangs des Strombedarfs wird jedoch eine Batterie eingesetzt, um den überschüssigen Strom tagsüber zu speichern und bei plötzlich hohem Strombedarf den benötigten Strom zu erzeugen (siehe Abb. 2). Für das vorgeschlagene System werden Energie- und Exergieanalysen entwickelt, um die thermodynamischen Eigenschaften in jedem Zustand zu berechnen und die Gesamteffizienz vorherzusagen. Auf die thermodynamische Analyse folgt eine ausführliche Ökobilanz mit achtzehn Treffpunkten und drei Endpunkten.

Das detaillierte Schema des dynamischen Kraft-Wärme-Kopplungssystems zur Bereitstellung von Wasserstoff und Strom als Ladestation für die Elektrofahrzeuge: Das zweite Szenario. (Die Zahl wurde mit Origin(Pro), Version 9.9, 2022, ermittelt. OriginLab Corporation, Northampton, MA, USA, verfügbar unter: https://www.originlab.com/).

In dieser Studie wurde die thermodynamische Modellierung in der MATLAB-Software unter Verwendung der maßgeblichen Gleichungen für die SOFC-, ORC- und PEME-Einheiten durchgeführt. Methan ist der Arbeitsbrennstoff des SOFC-Stacks, der nach Vorwärmen und Komprimieren mit Wasserdampf vermischt wird. Die austretenden Gase werden zum Nachbrenner geleitet, um die benötigte Wärme zu erzeugen, die an die Vorwärmer übertragen wird. Da die Abgase der SOFC-Stacks (Abgas 1, Abgas 2, Abgas 3 und Abgas 4) hohe Temperaturen aufweisen. Ein ORC mit R245fa als Arbeitsmedium wird die Ausgangswärme der SOFC-Stacks wiederverwenden, um den Wirkungsgrad weiter zu verbessern und den Eingangsstrom für das PEME bereitzustellen. Die Autoren haben die erforderlichen Grundgleichungen zur Modellierung des PEME bereits im Detail vorgestellt25 und werden hier nicht aufgeführt, um Wiederholungen zu vermeiden. Die erforderlichen maßgebenden Gleichungen für die SOFC-Stacks und die ORC-Einheit sowie die Exergiebilanzgleichungen und die erforderlichen Ausdrücke zur Berechnung der Gesamtenergie- und Exergieeffizienz finden Sie im Anhang.

Basierend auf Abb. 2 soll die Differenz zwischen dem Strombedarf tagsüber und nachts berechnet werden. Die SOFC-Stacks werden acht Stunden lang teilweise bei 30 % Leistungslast von 22 bis 6 Stunden arbeiten. Abbildung 3 zeigt das betrachtete Profil der Stromerzeugung durch die SOFC-Stacks basierend auf Abb. 2.

Das in Abb. 2 dargestellte Profil der Stromerzeugung durch die SOFC-Stacks.

Eine Batterie speichert den Energieüberschuss in der Nacht und kann das Stromdefizit zu Spitzenzeiten ausgleichen. Während der Ladezeit der Batterie wäre der Ladestrom durch einen maximalen Ladestrom \({{I}_{C}}_{max}\) begrenzt. Der theoretische Wert des Ladestroms errechnet sich wie folgt:

Dabei ist \({P}_{+}\) (W) die überschüssige Leistung, \({\varepsilon }_{C}\) der Wirkungsgrad des DC-DC-Wandlers und \({V}_ {B}\) (V) ist die Spannung an der Batterie. In dieser Studie wird angenommen, dass \({\varepsilon }_{C}\) einen konstanten Wert von 95 % hat.

Während der Entladephase würde die Batterie den Mangel an Ausgangsleistung der SOFC-Stacks ausgleichen, um den Strombedarf zu decken. In diesem Fall wird der Strom durch einen maximalen Entladestrom von \({{I}_{D}}_{max}\ begrenzt, wobei der theoretische Wert wie folgt berechnet werden kann:

Dabei ist \({P}_{-}\) das Leistungsdefizit.

Anhand der Lade- und Entladeströme kann der Ladezustand (SOC) der Batterie berechnet werden. Gleichung (3) drückt die entladene Kapazität \({C}_{D}\) während eines Zeitraums von \(\Delta t\) aus:

wobei \(\alpha \) die Entladungseffizienz ist, die sich aus der vorgestellten empirischen Gleichung ergibt. (4):

Dabei ist \({C}_{0}\) die maximale Kapazität der Batterie, daher ist \(\alpha \) auf die Werte zwischen Null und Eins begrenzt.

Unter Berücksichtigung der vernachlässigbaren Verluste während des Ladevorgangs im Vergleich zum Entladezeitraum können die Kapazitätsänderungen während \(\Delta t\) wie folgt dargestellt werden:

Somit kann der SOC-Status der Batterie zum Zeitpunkt \(t\) durch Gl. (6) unter Berücksichtigung des Bereichs von (\(SO{C}_{min}, SO{C}_{max}\)) für \({C}_{t}\):

Die Energie- und Exergieanalysen des vorgeschlagenen Systems wurden mit der REFPROP 9.026-Bibliothek in der MATLAB-Software durchgeführt. Der entwickelte Code zur thermodynamischen Charakterisierung berücksichtigt die Eigenschaften jedes Zyklus unter Verwendung der in Tabelle 1 angegebenen Eingabeparameter. Das Ergebnis dieser thermodynamischen Analyse sind die Gesamtwirkungsgrade zusätzlich zu den Werten der Wasserstoffproduktion und der Ausgangsleistung. Es ist zu beachten, dass die Autoren die SOFC-Einheit und PEME zuvor validiert haben. Die Validierungszahlen sind jeweils in den Referenzen 25 und 27 verfügbar. Daher wird in dieser Studie keine weitere Erläuterung gegeben, um Wiederholungen zu vermeiden.

In der ORC-Anlage wird davon ausgegangen, dass die Pumpen- und Turbinenwirkungsgrade konstant sind. Ziel dieser Studie ist es, die Eignung des vorgeschlagenen Verbundsystems für den Betrieb als Ladestation für Elektrofahrzeuge unter energetischen, exergetischen und ökologischen Gesichtspunkten zu klären. Um die Effizienz des Gesamtsystems zu verbessern, wurde die ORC-Einheit genutzt, um die Möglichkeit der Rückgewinnung der Abwärme der SOFC-Einheiten zu prüfen. Mit anderen Worten: Obwohl die genauen Mengen der zurückgewonnenen Wärme und die Gesamtwirkungsgrade berechnet werden, bestand das Hauptziel dieser Studie darin, die Integration der ORC-Einheit zu analysieren und die Möglichkeit der Abwärmerückgewinnung zu überwachen. Kommt es bei der eingesetzten Pumpe in der ORC-Anlage im Langzeitbetrieb zu Kavitation, erhöhtem Reibungsverlust, Verschleißeinschlüssen in den ORC-Arbeitsflüssigkeiten und einer schlechten Stromversorgung, ist der Wirkungsgrad nicht gleich und daher geringer der zurückgewonnenen Wärme. Der Schwerpunkt dieser Studie liegt jedoch nicht auf der Untersuchung des langfristigen Betriebs des Systems, sondern vielmehr auf der Suche nach einem perfekten Gleichgewicht zwischen den integrierten Einheiten und der Bereitstellung der Umweltauswirkungen. Darüber hinaus werden Energie- und Exergieanalysen durchgeführt, um Entscheidungsträgern die Eignung des Systems für reale Anwendungen zu erleichtern.

Die energetischen und exergetischen Leistungen des Systems wurden in jedem Zustandspunkt modelliert. Betrachtet man die dargestellten Schaltpläne in den Abb. In den Abbildungen 1 und 2 wurden die thermodynamischen Eigenschaften der Ladestation in jedem Zustand ermittelt, was die Charakterisierung des Systems erleichtert. Mithilfe der in Tabelle 2 angegebenen thermodynamischen Eigenschaften kann die Ausgangsleistung der SOFC-Stacks bei einer Stromdichte von 0,7 A/cm2 vorhergesagt werden. Es ist zu beachten, dass die aus den Brennkammern jeder SOFC-Einheit erhaltene Abgastemperatur durch die Wasser-, Kraftstoff- und Luftvorwärmer abgekühlt wird, um die Abgastemperatur aus der Brennkammer von 1135 K auf 441,5 K zu senken = 168,35 °C in jeder SOFC-Einheit. Dabei liegt die Gesamtabgastemperatur aller SOFC-Einheiten (\({T}_{67}\) = 441,5 K = 168,35 °C) im Temperaturbereich von 80 °C bis 350 °C gilt als geeignet für die Wärmerückgewinnung mit einer ORC-Anlage13. Die berechnete Enthalpie und Temperatur am Zustandspunkt „68“, dem Ausgang der SOFC-Stacks, ermöglichen die Berechnung der von der ORC-Einheit zurückgewonnenen Wärme, des von der ORC-Einheit erzeugten und an das PEME übertragenen Stroms und der jeweiliger Wert der Wasserstoffproduktion bei der Stromdichte von 0,7 A/cm2. Tabelle 3 zeigt die thermodynamischen Eigenschaften jeder Zustandsvariablen in den ORC- und PEME-Einheiten. Es ist zu beachten, dass die vorhandenen Parameter in Tabelle 3 und Tabelle 4 die Temperatur, T (K), Druck, P (bar), Massendurchfluss, \(\dot{m}\) (\(\frac{\ mathrm{mol}}{\mathrm{s}}\)), Entropie, \(s\) (\(\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg} \mathrm{K}}\)) , Enthalpie, \(h\) (\(\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg}}\)) und Exergie, ex (kW).

Mit einem ähnlichen Ansatz zur Ermittlung der thermodynamischen Eigenschaften bei unterschiedlichen Stromdichten der SOFC-Stacks können die Änderungen der Ausgangsparameter wie der Ausgangsleistung der SOFC-Stacks, der rückgewonnenen Wärme der ORC-Einheit und des erzeugten Wasserstoffs der PEME berücksichtigt werden erhalten werden. Auch die Schwankung der Betriebstemperatur der SOFC-Stacks hat entscheidende Auswirkungen auf die Gesamtleistung der Ladestation. Daher sollten die Eigenschaften des Systems bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen und Stromdichten bewertet werden. In diesem Zusammenhang wird Abb. 4 bereitgestellt um die Auswirkungen dieser beiden Parameter auf die Ausgangsleistung des SOFC-Stacks, den von der ORC-Einheit unter Verwendung der Abwärme der SOFC-Stacks erzeugten Strom und den erzeugten Wasserstoff unter Verwendung der Ausgangsstromstärke der ORC-Einheit bei verschiedenen Temperaturen zu veranschaulichen Stromdichten der SOFC-Stacks.

Die Auswirkungen der Betriebstemperatur der SOFC und der Stromdichte auf die Ausgänge des integrierten Systems: (a) Die Schwankungen in der Ausgangsleistung der SOFC-Stacks, (b) Die Schwankungen in der Ausgangsleistung der ORC-Einheit, (c) Die Schwankungen in der Wasserstoffproduktion.

Sobald die Ausgabewerte berechnet sind, wird die Bestimmung der Wirkungsgrade möglich. Abbildung 5a zeigt die Gesamteffizienz des integrierten Systems anhand der Variationen in der Stromdichte der SOFC-Stacks, während Abb. 5b die des SOFC-Stacks veranschaulicht. Höhere Stromdichten der SOFC-Stacks führen zu geringeren Wirkungsgraden sowohl der SOFC-Stacks als auch des gesamten Systems. Darüber hinaus zeigt Abb. 6 die Auswirkungen der SOFC-Stromdichte auf die Leistungsparameter der Ladestation. Der Vergleich der Abb. 5 und 6 zeigen, dass höhere Stromdichten zwar zu geringeren Wirkungsgraden sowohl in SOFC-Stacks als auch in der Gesamtleistung führen, aber auch zu einer höheren Produktion von Wasserstoff und Strom führen. Daher sollte ein Gleichgewicht hergestellt werden, um die beste Stromdichte zu finden, um die maximal möglichen Ausgangsprodukte mit den höchstmöglichen Wirkungsgraden zu erhalten.

Wirkungsgrade durch die Variation der SOFC-Stromdichte: (a) Die Änderungen der Gesamtwirkungsgrade, (b) Die Änderungen der SOFC-Wirkungsgrade.

Die Werte der Gesamtausgangsleistung an das Netz und der Wasserstoffproduktion durch die Variation der SOFC-Stromdichte.

Zusätzlich zur Leistungscharakterisierung des Systems bei verschiedenen SOFC-Stromdichten sollte eine detaillierte Exergieanalyse durchgeführt werden, um die erforderlichen Informationen über die Effizienz jeder Komponente zu erhalten. Die Exergiezerstörungswerte können in jeder Komponente berechnet werden, um die Effizienz jeder Komponente der Ladestation zu verstehen. Abbildung 7 zeigt die Exergiezerstörungswerte der Komponenten, die im vorgeschlagenen integrierten System verwendet werden. Der Luftvorwärmer weist mit Abstand die höchste Exergiezerstörung auf, gefolgt vom Nachbrenner der SOFC-Stacks, während die ORC-Pumpe von allen betrachteten Parametern den geringsten Wert aufweist.

Die Exergiezerstörungswerte in jeder Komponente des integrierten Systems.

Sobald die Leistung des gesamten integrierten Systems und jeder Komponente des Systems mithilfe der thermodynamischen Modellierung ermittelt wurde, sollten die Herausforderungen bei der Implementierung berücksichtigt werden. Der Bau einer Ladestation mit den vorgeschlagenen Technologien erfordert Platz und spezielle Materialien, um das Gewicht des Systems zu tragen. In diesem Zusammenhang sollte eine Größen- und Gewichtsanalyse durchgeführt werden, um die erforderliche Infrastruktur bereitzustellen. Abbildung 8 zeigt die Größen der Hauptunterabschnitte des Systems, während Abbildung 9 die Gewichte darstellt. Wie man sieht, hat die SOFC-Einheit die größte Größe und das größte Gewicht unter den betrachteten Unterabschnitten, gefolgt von der PEME für die Größe und dem Luft-Untersystem für das Gewicht. Die betrachtete Batterie in der dynamischen Konfiguration, Abb. 2, weist ebenfalls eine geringere Größe und ein geringeres Gewicht auf.

Die geschätzten Größen der Komponenten im vorgeschlagenen integrierten Design für eine Ladestation.

Die geschätzten Gewichte der Komponenten im vorgeschlagenen integrierten Design für eine Ladestation.

Unter Berücksichtigung der Angaben zur dynamischen Konfiguration (siehe Abb. 2) in Abschn. In Abb. 2 wird eine Batterie mit dem ursprünglichen Design kombiniert (siehe Abb. 1). Somit wird der überschüssige Strom bei geringem Strombedarf gespeichert und das System verfügt bei hoher Stromlast über ein Backup. Die Eingabeparameter zur Modellierung der Batterie sind in Tabelle 4 aufgeführt, während Abb. 10 verschiedene ausgewählte Leistungsprofile der Ladestationen zur Durchführung einer dynamischen Studie zeigt. Der Stromlastbedarf wurde von Gilleran et al.28 mit Modifikationen zur Anpassung an die Stromerzeugung inspiriert.

Drei Leistungslasten der Ladestation: (a) Erstes Profil, (b) Zweites Profil, (c) Drittes Profil.

Unter Berücksichtigung des in Abb. 10a dargestellten Leistungsbedarfsprofils werden die dynamischen Reaktionen des Systems ermittelt (24 h). Abbildung 11a zeigt das Ladeprofil der betrachteten Batterie, während Abbildung 11b das Entladeprofil darstellt. Wie man sieht, reagiert das System angemessen dynamisch auf die in Abb. 10a dargestellten Schwankungen des Leistungsbedarfsprofils. Abbildung 11c zeigt den Ladezustand (SOC) der Batterie anhand der Änderungen der Stromlast im Laufe des Tages. Es ist erwähnenswert, dass das Design des Akkus der maximalen Lade- und Entladerate von C/10 bzw. C/5 folgt. Wenn die betrachtete Batterie kleiner ist und daher eine andere Lade- und Entladerate aufweist, kann auf plötzliche Änderungen der Stromlast nicht angemessen reagiert werden, und es wird kein sicherer Bereich zum Schutz der Batterie in realen Anwendungen bereitgestellt. Unterdessen wird der SOC der betrachteten Batterie gemäß Abb. 11c im Bereich von (40 % bis 60 %) liegen, was die dynamische Reaktion des Systems verbessert und einen sicheren Betriebszustand für die Batterie schafft.

Die Simulationsergebnisse berücksichtigen das in Abb. 10a dargestellte erste Leistungsbedarfsprofil: (a) Ladeprofil der Batterie, (b) Entladeprofil der Batterie, (c) SOC der Batterie.

Eine ähnliche Studie wurde unter Berücksichtigung des zweiten Strombedarfsprofils für die Ladestation basierend auf Abb. 10b durchgeführt. Die Details der dynamischen Reaktionen der Batterie auf die Schwankungen der Stromlast von Abb. 10b sind in Abb. 12 dargestellt. Das zweite in Abb. 12 dargestellte Muster weist einen hohen Auslastungsgrad auf. Bei starken Schwankungen des Strombedarfs ist der Entladestrom die Leistungsbegrenzung der Batterie. Laut Linden et al.29 sollte der maximale Entladestrom C/5 betragen, daher bleibt der Strom innerhalb des Grenzwerts.

Die Simulationsergebnisse berücksichtigen das in Abb. 10b dargestellte zweite Leistungsbedarfsprofil: (a) Ladeprofil der Batterie, (b) Entladeprofil der Batterie, (c) SOC der Batterie.

Außerdem zeigt Abb. 13 die Lade-, Entlade- und SOC-Profile der Batterie mit den in Abb. 10c dargestellten Schwankungen der Leistungslast. Das analysierte Muster für das dritte Leistungsprofil weist einen hohen Auslastungsgrad mit einer gleichmäßigen Variation des Leistungsbedarfs auf, was bedeutet, dass tagsüber eine dauerhafte Defizitperiode vorliegt. In diesem Fall ist die Speicherkapazität der Batterie ein entscheidender Faktor für die Leistungsbegrenzung. Abbildung 13 zeigt, dass die verwendete Batterie eine größere Kapazität hat als der von der SOFC erzeugte Strom, sodass der SOC-Status während der Arbeitszeit in einem sicheren Bereich gehalten wird.

Die Simulationsergebnisse berücksichtigen das dritte Leistungsbedarfsprofil in Abb. 10c: (a) Ladeprofil der Batterie, (b) Entladeprofil der Batterie, (c) SOC der Batterie.

Unter Verwendung der Ökobilanz als Methode zur Ermittlung der Umweltauswirkungen verschiedener Technologien wurde der vorgeschlagene Entwurf der Ladestation bewertet. Die LCA-Frameworks basieren auf ISO 1404030 und 1404431 unter Verwendung der ReCiPe 2016 v1.03 Midpoint (H)-Methode32. Zur Durchführung der Simulationen wurde die openLCA-Software verwendet, eine Open-Source-Software zur Durchführung von LCA. Die dedizierte Datenbank „ecoinvent“33 verfügt über eine transparente Unit-Process-LCI-Datenbank. Tabelle 5 zeigt die benötigten Inputmaterialien zum Aufbau des vorgeschlagenen integrierten Designs der Ladestation ohne Berücksichtigung der Elektrolyseeinheit.

Diese Studie bewertet auch die Umweltauswirkungen verschiedener vorhandener Geräte, die als Elektrolyseeinheit in der vorgeschlagenen Ladestation fungieren. Bisher sind die am häufigsten kommerzialisierten Elektrolyseure der Solid Oxide Electrolyzer (SOE), der Proton Exchange Membrane Electrolyzer (PEME) und der Alkaline Electrolyzer (ALE). Die benötigten Inputmaterialien zur Herstellung von 5 m2 einzelner Wiederholungseinheiten aus ALE, PEME und SOE sind in den Tabellen 6, 7 bzw. 8 aufgeführt.

Zusätzlich zu den benötigten Materialien zur Herstellung der Elektrolyseureinheit sind für jeden Elektrolyseurtyp unterschiedliche Arten von Prozessen erforderlich. Diesbezüglich wird sich die Gesamtumweltauswirkung ändern, wenn sich der Typ des Elektrolyseurs ändert. Abbildung 14 zeigt das Verfahren zur Herstellung des ALE, das in das vorgeschlagene integrierte Design integriert werden soll. Im ersten Schritt sollte das Nickelpulver den Walzprozess durchlaufen und anschließend in die Form gebracht werden, um die Bipolarplatten und Elektroden zu bilden. Die Zirfon-Membran kann auch durch Bade- und Trocknungsverfahren unter Verwendung von N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Polyphenylensulfid (PPS) und Zirkoniumdioxid (Zr \({\mathrm{O}}_{2}\) hergestellt werden. ) und Polysulfon (PSU) als Ausgangsmaterialien. Darüber hinaus werden die Rahmen, die aus Edelstahl bestehen, durch Formen hergestellt.

Das Verfahren zur Herstellung des alkalischen Elektrolyseurs, das in dieser Studie verwendet wurde.

Ebenso sollten für das PEME eine Membran, Elektroden, Bipolarplatten und Rahmen hergestellt werden. Die Bipolarplatte ist eine Kombination aus Platin und Titan durch Sputtern, während der Rahmen durch Schneiden des Edelstahls hergestellt wird. Zur Herstellung der Elektroden werden Bindemittel, Additive und Lösungsmittel mit Iridiumoxid und Platinkatalysatoren verwendet, um die erforderlichen Tintenmaterialien zu bilden. Nach der Beschichtung werden Titan und Kohlenstofffilz verwendet, um die entsprechenden Sauerstoff- und Wasserstoffelektroden zu bilden. Die Nafion 115-Membran wird auch nach dem Durchlaufen verschiedener Prozesse wie Baden, Trocknen und Hydratieren hergestellt. Abbildung 15 zeigt das Verfahren zur Herstellung des PEME, das in das vorgeschlagene integrierte Design integriert werden soll.

Das Verfahren zur Herstellung des Protonenaustauschmembran-Elektrolyseurs, das in dieser Studie verwendet wurde.

Abbildung 16 veranschaulicht auch die erforderlichen Herstellungsprozesse und Materialien für das SOE. Wie zu sehen ist, werden die Verbindungen ähnlich wie die Rahmen durch Stanzen, Formen und Beschichten des Edelstahls hergestellt. Für die Herstellung der Sauerstoffelektrode kommt Siebdruck zum Einsatz, während für die Wasserstoffelektrode und den Elektrolyten lediglich Bandguss und Kugelmahlen erforderlich sind. Nach der Herstellung der Elektroden und des Elektrolyten wird durch Sinter- und Laserschneidprozesse eine Festoxid-Elektrolysezelle (SOEC) gebildet, die später auf dem Rahmen montiert und zu einem SOEC-Stack verbunden wird.

Das Verfahren zur Herstellung eines Festoxid-Elektrolyseurs, das in dieser Studie verwendet wurde.

Sobald die Modellierung der Inputmaterialien in der OpenLCA-Software durchgeführt wurde, können die Umweltauswirkungen des Systems in Abb. 2 unter Berücksichtigung von drei verschiedenen Technologien ermittelt werden, die als Elektrolyseureinheit fungieren, nämlich SOEC, PEMEC und AEC. Tabelle 9 enthält die LCA-Ausgabeergebnisse für verschiedene Arten von Elektrolyseuren basierend auf ReCiPe 2016 v1.03 Midpoint (H) für das vorgeschlagene Design von 284,27 kWh. Die Ergebnisse zeigen die Eignung des PEMEC unter Berücksichtigung der Umweltaspekte, stimmen jedoch aus dieser Sicht gegen den Einsatz des SOEC. Darüber hinaus zeigt Tabelle 10 die Änderungen der 18 Umweltparameter aufgrund der Schwankungen des zugeführten Brennstoffs der SOFC-Stacks. Die Ergebnisse zeigen, dass Wasserstoff bei weitem den geringsten negativen Einfluss auf die Umwelt hat, gefolgt von Biomethanol, das als Brennstoffquelle für die vier SOFC-Stacks dient.

Diese Studie charakterisiert auch die Umweltauswirkungen verschiedener ORC-Arbeitsflüssigkeiten. Tabelle 11 zeigt einen Vergleich zwischen R134a, R227ea und R152a unter Berücksichtigung ihrer Umweltauswirkungen. Die Ergebnisse zeigen, dass nach der Verwendung von R152a als Arbeitsmedium des ORC das in Abb. 2 gezeigte integrierte Design des Systems mit 4,02E+05 (kg CO2-Äq.) die niedrigste Kohlendioxidproduktion aufweist, während das von R227ea zu dieser Produktion führt höchste Menge durch die Erzeugung von 6,19E+05 (kg CO2-Äquivalent) Kohlendioxid.

Eine weitere Charakterisierung des Systems wurde durchgeführt, nachdem Methan, R134a und PEME als Eingangsbrennstoff der SOFC, als Arbeitsmedium des ORC und als Elektrolyseureinheit ausgewählt wurden, und zwar anhand von fünf Hauptkategorien (siehe Abb. 17). Basierend auf den erhaltenen Ergebnissen spielt die Herstellung eine entscheidende Rolle bei HCT, WC, TA, TE, OFT, LU und FEu, während die Entsorgung der Haupttreiber für ME, MEu, SOD, HnCT, FRS, FPMF und ist IR.

Die Anteile verschiedener Prozesse an der Umwelt beim Betrieb der 284,27 kWh-Ladestation mit PEMEC als Elektrolyseur.

In dieser Studie wurde die Möglichkeit untersucht, die SOFC-Technologie als Stromlieferant für Elektrofahrzeuge in einer Ladestation einzusetzen. Die Ergebnisse dieser Studie erleichtern den Übergang von auf fossilen Brennstoffen basierenden Technologien zu umweltfreundlichen Alternativen. Im stationären Zustand wurde die Abwärme der SOFC-Stacks von einer ORC-Einheit wiederverwendet und als Input für die Elektrolyseeinheit verwendet. Die thermodynamische Analyse des in Abb. 1 dargestellten Systems ergab, dass die Gesamtenergie- und Exergieeffizienz des Systems bei der Betriebsstromdichte von 0,7 A/\({\mathrm{cm}}^{2}\) 60,84 % beträgt. bzw. 60,67 %, mit einer entsprechenden Strom- und Wasserstoffproduktion von 284,27 kWh bzw. 0,17 g/s. Das Ergebnis zeigte, dass höhere Stromdichten der SOFC-Stacks zu geringeren Wirkungsgraden sowohl in der Brennstoffzelle als auch im integrierten System führen und gleichzeitig die Wasserstoffproduktion und Stromerzeugung steigern. In diesem Zusammenhang sollte eine optimale Betriebsstromdichte gefunden werden, um den höchsten Wirkungsgrad bei der höchsten Produktion von Wasserstoff und Strom zu erreichen. Die Ergebnisse der Exergiezerstörungsstudie zeigten, dass der Luftvorwärmer den mit Abstand höchsten Wert aufweist, gefolgt vom Nachbrenner, während die ORC-Pumpe die geringste Exergiezerstörung aufweist. Die erhaltenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass das derzeit vorgeschlagene System mit ORC-Abwärmerückgewinnung als Ladestation für Elektrofahrzeuge dienen kann. Die Gesamtenergieeffizienz fossiler Energieerzeugungssysteme liegt bei etwa 15 bis 45 %, das aktuelle System profitiert jedoch von einer Energieeffizienz von 60,84 %.

In der dynamischen Konfiguration, Abb. 2, wurde die Lithium-Ionen-Batterie \({\mathrm{LiMn}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}\) in das System integriert, um den Teilbetrieb zu erleichtern (30 %) der SOFC1, SOFC2 und SOFC3 von 22:00 bis 06:00 Uhr. Sobald der Strombedarf niedrig war, konnte die Batterie den Strom speichern und in kritischen Situationen als Backup dienen. Die dynamische Reaktion des integrierten Systems mit Batterien demonstrierte die Eignung und Stabilität des vorgeschlagenen Systems bei drei verschiedenen willkürlichen Leistungslasten während des Tages. Die Größen- und Gewichtsstudie ergab außerdem, dass die Batterie im Vergleich zu den anderen Komponenten des Systems vom geringsten Volumen und Gewicht profitiert. Unter den betrachteten Komponenten des Systems weisen die SOFC-Einheit und das PEME mit Abstand das größte Volumen auf. Um die Umweltauswirkungen des integrierten Systems zu ermitteln, wurde das LCA-Modell für das 284,27-kWh-System entwickelt und die Ergebnisse zeigten, dass das System zu einer globalen Erwärmung (kg \({\mathrm{CO}}_{2}\) eq) führt 5.17E+05, 4.47E+05 und 5.17E+05 unter Verwendung eines Festoxid-Elektrolyseurs (SOE), eines Protonenaustauschmembran-Elektrolyseurs (PEME) bzw. eines alkalischen Elektrolyseurs (ALE). Es wurde auch ein Vergleich mit verschiedenen Brennstofftypen für die SOFC-Stacks durchgeführt und die Ergebnisse zeigten, dass die globale Erwärmung (kg \({\mathrm{CO}}_{2}\) eq) 4,47E+05, 7,23E+04 beträgt , 2,16E+05, 1,71E+05 und 5,87E+04, wenn Methan, Biomethanol, Erdgas, Biogas bzw. Wasserstoff verwendet werden. Ein Vergleich der Umweltauswirkungen verschiedener Arten von ORC-Arbeitsflüssigkeiten sprach ebenfalls gegen die Verwendung von R227ea, während R152a vielversprechende Ergebnisse für die Verwendung im System zeigte.

Obwohl die Ergebnisse dieser Studie viele wichtige Aspekte abdecken, können weitere Untersuchungen als Thema für zukünftige Studien wie folgt durchgeführt werden:

Einer der kritischen Aspekte beim Entwurf eines Stromerzeugungssystems mit SOFC-Stacks ist die langsame dynamische Reaktion dieses Brennstoffzellentyps. Das Umschalten der SOFC von Volllast auf Teillast kann mehrere Stunden dauern, und während dieser Zeit ist die SOFC nicht in der Lage, Strom zu liefern. In diesem Zusammenhang ist eine Studie zur thermischen Hysterese von SOFC-Stapeln während des SOFC-Lastwechsels für zukünftige Studien von Interesse.

Die Ziele dieser Studie bestanden hauptsächlich darin, ein effizientes Stromerzeugungssystem für Elektrofahrzeuge vorzuschlagen und dessen Leistung unter Berücksichtigung der energetischen, exergetischen und LCA-Aspekte zu bewerten. Das Ziel dieser Studie bestand darin, technische Informationen darüber bereitzustellen, wie das System in der Realität aussehen würde und welche Vor- und Nachteile die Implementierung dieses Systems mit sich bringt, anstatt die geschäftlichen Aspekte zu berücksichtigen. Daher kann die Erforschung der Kostenanalyse für das vorgeschlagene System ein interessantes Thema für zukünftige Studien sein.

In dieser Studie wurde der Schluss gezogen, dass eine höhere Stromdichte der SOFC-Stacks zu geringeren Wirkungsgraden dieser Stacks führt und somit die Gesamtleistung verringert. In dieser Studie wurden nur die Auswirkungen der Stromdichte berücksichtigt, die üblicherweise zur Regulierung der Ausgangsleistung der SOFC-Stacks verwendet wird. Es kann jedoch interessant sein, auch andere Faktoren wie Kraftstoffnutzung, Luftüberschussverhältnis usw. für zukünftige Forschungen zu untersuchen.

Erhältlich auf formelle Anfrage beim entsprechenden Autor.

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Dieses Projekt wurde aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Marie-Sklodowska-Curie-Zuschussvereinbarung Nr. 754354 gefördert.

Gruppe für Energiematerialien, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, 1951, Sion, Schweiz

Hossein Pourrahmani, Chengzhang Xu und Jan Van Herle

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Erklärung des AutorsH.P. (Korrespondierender Autor), Methodik, Software, Lebenszyklusbewertung, formale Analyse, Visualisierung, Schreiben – Originalentwurf, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, Projektverwaltung. CX-Software, thermodynamische Analyse, Konzeptualisierung. JVh-Überwachung.

Korrespondenz mit Hossein Pourrahmani.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Pourrahmani, H., Xu, C. & Van Herle, J. Die thermodynamischen und Lebenszyklusbewertungen einer neuartigen Ladestation für Elektrofahrzeuge unter dynamischen und stationären Bedingungen. Sci Rep 13, 11159 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38387-0

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Eingegangen: 05. November 2022

Angenommen: 07. Juli 2023

Veröffentlicht: 10. Juli 2023

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

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