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Gestione accurata degli elettroliti nella produzione di batterie a flusso

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Utilizzo dei misuratori di portata a ultrasuoni a fissaggio a morsetto CPD nell'iniezione di elettroliti

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Contesto applicativo

Con l’accelerarsi della transizione energetica globale, le tecnologie di accumulo di energia su larga scala sono diventate infrastrutture fondamentali per sostenere l’integrazione delle energie rinnovabili nella rete e la regolazione della frequenza e dei picchi di carico.
Tra i vari percorsi tecnologici di accumulo energetico, le batterie a flusso (in particolare le batterie a flusso redox al vanadio, VRFB) si distinguono per i loro vantaggi unici: la capacità di accumulo è determinata dal volume dell’elettrolita, mentre la potenza è determinata dalle dimensioni dello stack, consentendo una configurazione flessibile.
• Lunga durata di ciclo: in grado di superare i 10.000 cicli, superando di gran lunga le batterie agli ioni di litio.
• Elevata sicurezza: l’elettrolita è una soluzione acquosa, il che elimina il rischio di combustione o esplosione.
• Rispettose dell’ambiente: l’elettrolita è riciclabile e non comporta inquinamento da metalli pesanti.

L’importanza dell’iniezione dell’elettrolita nella produzione delle batterie a flusso
L’elettrolita è il “sangue” di una batteria a flusso e il controllo accurato della sua iniezione influisce direttamente sulle prestazioni della batteria.
• La precisione dell’iniezione determina l’uniformità delle celle: le deviazioni nel volume di iniezione all’interno dello stesso lotto influenzano direttamente l’uniformità della capacità.
• Il processo di iniezione influisce sulla durata della batteria: un’iniezione non uniforme porta a differenze di concentrazione locali, accelerando il decadimento della capacità.
• L’efficienza dell’iniezione influisce sui costi di produzione: un sistema di iniezione efficiente e preciso riduce i tassi di scarto e migliora l’efficienza produttiva.

Un sistema a batteria a flusso è costituito principalmente da
• Due serbatoi di elettrolita: che contengono rispettivamente l’elettrolita positivo e quello negativo.
• Stack: composto da più celle singole collegate in serie per eseguire le reazioni elettrochimiche.
• Sistema di pompe di circolazione: fa circolare l’elettrolita tra i serbatoi e lo stack.
• Sistema di controllo: comprende valvole, sensori di pressione, sensori di portata, filtri, ecc.
L’elettrolita viene prelevato dai serbatoi dalle pompe di circolazione, pompato nello stack, completa la reazione di carica/scarica su entrambi i lati della membrana a scambio protonico e ritorna ai serbatoi, formando un sistema di circolazione esterno completo.

Sfide del settore

Sfide nella misurazione della portata dell’elettrolita
• Precisione insufficiente nei metodi tradizionali: metodi come l’iniezione per gravità o l’iniezione a pressione faticano a raggiungere un controllo della portata ad alta precisione pari a ±2%.
• Impatto delle variazioni delle proprietà fisiche: la viscosità e la densità dell’elettrolita variano con la temperatura e la concentrazione, influenzando la precisione della misurazione della portata.
• Scarsa uniformità dei lotti: le fluttuazioni nel volume di iniezione comportano differenze di prestazione nelle celle dello stesso lotto, compromettendo la resa del prodotto.
• Difficoltà nel controllo coordinato delle pompe di circolazione: le pompe positive e negative, fornendo portate diverse a parità di velocità, causano un’alimentazione irregolare dei reagenti e un aggravamento della polarizzazione di concentrazione.
• Rischi di perdite: i misuratori di portata a contatto sono a diretto contatto con elettroliti corrosivi, il che comporta rischi di perdite.
• Contaminazione del sensore: le sostanze attive presenti nell’elettrolita possono depositarsi all’interno del sensore, compromettendo la precisione della misurazione.
• Elevati costi di manutenzione: i misuratori di portata tradizionali richiedono calibrazione e pulizia regolari, con conseguente elevato carico di lavoro di manutenzione.
• Mancanza di funzionalità intelligenti: Mancanza di funzioni di diagnosi intelligente e manutenzione predittiva basate sui dati di portata.

Introduzione all’applicazione

Il sensore di portata a ultrasuoni con montaggio a morsetto della serie CPD è in grado di misurare in tempo reale la portata di vari fluidi corrosivi e ad alta purezza, offrendo i seguenti vantaggi tecnici fondamentali:
• Funzionamento collaborativo multi-unità: nel sistema di preparazione dell’elettrolita, più misuratori CPD operano in sinergia per misurare in tempo reale la portata dell’acqua dolce e dell’elettrolita concentrato, garantendo la precisione della miscelazione.
• Misura in tempo reale della portata di iniezione: risposta dell’ordine dei millisecondi con schermo LCD che visualizza le portate di iniezione in tempo reale.
• Controllo a circuito chiuso: i segnali di portata vengono ritrasmessi al PLC per controllare la velocità della pompa di iniezione e l’apertura delle valvole.
• Statistiche di lotto: il calcolo del volume cumulativo di iniezione garantisce l’uniformità di ogni lotto.
• Monitoraggio della circolazione dell’elettrolita positivo/negativo: nel sistema di circolazione della batteria a flusso, i misuratori CPD sono installati sia sui tubi di circolazione positivi che su quelli negativi per un monitoraggio sincrono a doppio canale.
• Controllo del bilanciamento della portata: regola la velocità delle pompe di circolazione in base alle differenze di portata tra i poli positivo e negativo per garantire un’alimentazione bilanciata dei reagenti.
• Rilevamento delle bolle: il misuratore di portata a ultrasuoni/sensore di flusso CPD rileva le bolle d’aria nelle tubazioni ed emette avvisi in tempo reale.
• Rilevamento delle perdite: un calo improvviso della portata può indicare una perdita nelle tubazioni.
• Avviso di ostruzione: una diminuzione graduale della portata può indicare un intasamento del filtro.
• Allarme di anomalia: gli allarmi immediati in caso di anomalie di portata prevengono la polarizzazione da concentrazione dell’elettrolita.
• Interfacce di comunicazione multiple: supporta 4-20 mA, RS485, Modbus RTU e altri metodi di uscita per l’integrazione con i sistemi di controllo.
• Software di visualizzazione della portata: fornisce il software di monitoraggio dedicato “FlowViewer” per il monitoraggio remoto della portata, la registrazione dei dati e la generazione di report.

Caratteristiche salienti dell’applicazione

• Elevata precisione di misura: raggiunge una precisione del ±2% e una ripetibilità dello ±0,1%, il che migliora la precisione dell’iniezione, garantisce l’uniformità dei lotti e riduce le deviazioni.
• Adattabilità a diversi fluidi: la precisione di misura non è influenzata dalle variazioni di viscosità del fluido.
• Riduzione del consumo energetico: ottimizza il controllo dell’iniezione sulla base del feedback in tempo reale sulla portata, riducendo il consumo energetico della pompa.
• Velocità di risposta del sistema: il tempo di risposta del controllo automatizzato è stato ridotto da secondi a millisecondi.
• Utilizzo degli elettroliti: il controllo preciso riduce lo spreco di costosi elettroliti.
• Design a contatto zero: i sensori di flusso a morsetto CPD / misuratori di portata possono essere fissati direttamente all’esterno del tubo, in modo da essere completamente isolati dall’elettrolita.
• Design resistente alla corrosione: l’alloggiamento del sensore è realizzato con materiali resistenti alla corrosione e presenta un grado di protezione IP67, adatto ad ambienti industriali difficili.
• Design a bassa manutenzione: non è richiesta alcuna pulizia regolare. Anche in caso di uso frequente, il ciclo di calibrazione può essere impostato su 1-2 anni, riducendo i costi di manodopera e dei ricambi.
• Assenza di parti mobili: nessuna usura, con un tempo medio tra i guasti (MTBF) fino a 50.000 ore e una durata di vita di 5-10 anni.
• Nessun rischio di perdite: l’assenza di contatto con l’elettrolita elimina i rischi di perdite.
• Risparmio sui costi di installazione: l’installazione a morsetto riduce le spese di modifica delle tubazioni.
• Analisi dei dati: i dati di portata tracciabili consentono l’ottimizzazione dei parametri del processo di iniezione.
• Manutenzione predittiva: prevede i guasti delle apparecchiature sulla base dell’analisi dei dati per una manutenzione preventiva.
• Monitoraggio remoto della portata: supporta l’integrazione con piattaforme IoT industriali per il monitoraggio remoto in tempo reale.

• Applicabilità in diversi scenari
o Misura precisa della portata per elettroliti positivi/negativi nelle batterie VRFB.
o Misura della portata per fluidi altamente corrosivi nelle batterie a flusso ferro-cromo.
o Misurazione della portata per fluidi complessi nelle batterie a flusso zinco-bromo.

• Applicabilità multiprocesso
o Misurazione della portata per i rapporti di miscelazione delle materie prime degli elettroliti.
o Misurazione precisa della portata per il flusso di iniezione nelle celle.
o Monitoraggio e ottimizzazione del flusso di circolazione dell’elettrolita durante il funzionamento della batteria.

Sintesi dei vantaggi per il cliente
• Migliore uniformità dell’iniezione: la maggiore precisione dell’iniezione garantisce prestazioni costanti delle celle e rafforza la reputazione del marchio.
• Riduzione del costo totale di proprietà (TCO): minori costi totali di utilizzo lungo l’intero ciclo di vita dell’impianto, dal funzionamento alla manutenzione.
• Aumento dell’efficienza operativa: una maggiore automazione nella misurazione della portata riduce gli interventi manuali e i costi di manodopera.
• Affidabilità del sistema: il design ad alta affidabilità garantisce una produzione continua e stabile.
• Base di dati: dati precisi sulla portata costituiscono la base per la produzione intelligente.
• Controllo automatico: supporta varie uscite di comunicazione per l’integrazione con sistemi di controllo automatizzati.
• Espandibilità futura: supporta la progettazione personalizzata, l’espansione funzionale e gli aggiornamenti.

Conclusione

Nel contesto del rapido sviluppo del settore delle batterie per l’accumulo di energia, la precisione dell’iniezione dell’elettrolita e il controllo della circolazione sono diventati fattori chiave che determinano la qualità del prodotto e l’efficienza operativa delle batterie.
Verificato attraverso applicazioni pratiche, il sensore di flusso a ultrasuoni con montaggio a morsetto CPD / misuratore di portata offre una soluzione affidabile per la misurazione della portata nelle apparecchiature di iniezione dell’elettrolita delle batterie di accumulo di energia, grazie alle sue caratteristiche non invasive, ad alta precisione, altamente ripetibili e intelligenti. Non solo risolve i punti critici dei metodi di misurazione tradizionali in termini di precisione, affidabilità e facilità di manutenzione, ma fornisce anche un forte supporto per l’ottimizzazione dei processi, il miglioramento della qualità e il controllo dei costi nella produzione di batterie a flusso grazie alle sue funzionalità intelligenti.