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Creare un sistema di protezione per la gestione termica dei sistemi ESS

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Applicazioni dei sensori di flusso a ultrasuoni nei sistemi di raffreddamento a liquido

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Nel contesto della transizione energetica globale verso modelli puliti e a basse emissioni di carbonio, i sistemi elettrochimici di accumulo di energia (ESS) stanno vivendo una diffusione su larga scala. Poiché la densità energetica delle singole celle delle batterie e dei sistemi nel loro complesso continua ad aumentare, la gestione termica durante i cicli di carica e scarica è diventata un fattore fondamentale che influisce sulla durata e sulla sicurezza dei sistemi.

Rispetto alle tradizionali soluzioni di raffreddamento ad aria, la tecnologia di raffreddamento a liquido, grazie alla maggiore efficienza di scambio termico e alla superiore uniformità nel controllo della temperatura, è diventata l’approccio prevalente alla gestione termica per gli ESS. Tuttavia, l’introduzione dei circuiti di raffreddamento a liquido impone anche requisiti più elevati in termini di affidabilità della progettazione del sistema e di manutenzione a lungo termine. All’interno del circuito di raffreddamento, un monitoraggio accurato e stabile della portata è un elemento fondamentale per valutare le prestazioni di dissipazione del calore, rilevare tempestivamente eventuali anomalie e garantire un funzionamento sicuro del sistema.

1. Sfide nel monitoraggio della portata nei sistemi ESS con raffreddamento a liquido

Le apparecchiature di accumulo di energia richiedono in genere una lunga durata di servizio. Durante il funzionamento prolungato, le tecnologie tradizionali di misurazione della portata incontrano i seguenti ostacoli ingegneristici all’interno dei circuiti di raffreddamento a liquido:

→ Rischi di perdite: Le tubazioni di raffreddamento a liquido si trovano in stretta vicinanza ai moduli delle batterie e ai componenti elettrici. I misuratori di portata tradizionali richiedono il taglio delle tubazioni per l’installazione, il che aumenta il numero di superfici di tenuta dei giunti e, di conseguenza, accresce i rischi per la sicurezza legati a cortocircuiti o corrosione causati da perdite di refrigerante. Pertanto, le soluzioni di misurazione ad alta tenuta o non invasive rivestono un notevole valore ingegneristico.
→ Aumento della resistenza al flusso e del consumo energetico parassitario: le giranti o i componenti che limitano il flusso all’interno dei misuratori di portata meccanici alterano lo stato del fluido, generando una caduta di pressione non trascurabile. Ciò costringe le pompe dell’acqua dell’unità di distribuzione del liquido di raffreddamento (CDU) a funzionare continuamente sotto carichi elevati, aumentando il consumo energetico ausiliario del sistema.
→ Usura meccanica e deriva di misura: durante la circolazione a lungo termine, il liquido di raffreddamento può generare microimpurità o incrostazioni, causando l’usura o addirittura il grippaggio dei rotori meccanici. Ciò non solo provoca una deriva della precisione di misura e innesca falsi allarmi, ma può anche portare a valutazioni errate nelle strategie di gestione termica.
→ Compatibilità del liquido di raffreddamento: per soddisfare i requisiti di antigelo e isolamento elettrico, i fluidi utilizzati nei sistemi di raffreddamento a liquido si sono gradualmente ampliati, passando dalle convenzionali soluzioni di glicole etilenico e acqua ad antigeli specializzati o fluidi fluorurati non conduttivi. I misuratori di portata elettromagnetici, che si basano sulla conduttività, non sono adatti quando si ha a che fare con fluidi altamente isolanti.

2. Adattabilità e vantaggi della tecnologia di rilevamento a ultrasuoni

Rispondendo ai requisiti di spazio, consumo energetico e affidabilità a lungo termine dei sistemi di raffreddamento a liquido ESS, la tecnologia di misurazione del flusso a ultrasuoni dimostra un’eccellente adattabilità applicativa:

→ Misurazione non invasiva che garantisce l’integrità delle tubazioni: i sensori a ultrasuoni di tipo “clamp-on” possono essere installati direttamente sulla parete esterna del tubo senza necessità di tagliarlo. Oltre ad eliminare il rischio di perdite, ciò riduce significativamente la complessità dell’assemblaggio in fase di produzione e della successiva manutenzione.
→ Assenza di componenti che limitano il flusso per un minor consumo energetico della pompa: indipendentemente dal fatto che si utilizzi una struttura in linea o a morsetto, non sono presenti limitatori meccanici di flusso all’interno del canale di misura. La resistenza al flusso è estremamente bassa, il che favorisce l’ottimizzazione del consumo energetico delle pompe e il miglioramento del coefficiente di prestazione (COP) complessivo del sistema.
→ Assenza di usura meccanica per una stabilità a lungo termine: l’assenza di parti interne in movimento consente al sensore di mantenere la stabilità di misura durante il funzionamento continuo a lungo termine, riducendo sostanzialmente i costi operativi e di manutenzione causati dai guasti dei misuratori di portata.
→ Versatilità dei fluidi: basandosi sul metodo del tempo di transito, la misurazione non è limitata dalla conduttività del fluido, rendendola ampiamente compatibile con i refrigeranti a base acquosa e con vari nuovi fluidi di raffreddamento altamente isolanti.

3. Matrice di selezione dei prodotti XY-TEK

Per soddisfare i requisiti di installazione e di processo nei diversi nodi all’interno dell’ESS, XY-TEK offre due principali categorie di soluzioni: in linea e a morsetto.

3.1 Monitoraggio in linea altamente integrato: serie TAD / TPD / TPK
I sensori in linea vengono in genere integrati durante la fase di assemblaggio dell’apparecchiatura come parte dell’unità di raffreddamento a liquido o del sistema di tubazioni. Rispetto ai modelli clamp-on, i sensori in linea si collegano direttamente alla tubazione tramite raccordi. Questo design non risente dei materiali esterni delle tubazioni, garantendo un’elevatissima precisione di misura e costanza a lungo termine, e presenta un canale di flusso liscio e privo di zone morte:

→ Serie TPK: presenta una struttura compatta, progettata specificamente per percorsi di flusso interni all’armadio con spazio limitato, riducendo al minimo la caduta di pressione del fluido a un livello estremamente basso pur mantenendo un’elevata precisione di misura della portata.
→ Serie TPD: utilizza un alloggiamento in plastica ad alta resistenza, che coniuga un design leggero con un buon rapporto costo-prestazioni, ed è dotata di uno schermo integrato per facilitare la messa in servizio in loco.
→ Serie TAD: è dotata di un display integrato e presenta un design strutturale interamente in acciaio inossidabile. Possiede un’eccellente resistenza alla pressione e robustezza strutturale, rendendola adatta a condizioni operative complesse con elevate esigenze strutturali.

3.2 Monitoraggio flessibile e sicuro non invasivo: Serie CS / CPD
Per scenari applicativi che richiedono i più elevati standard di tenuta o l’aggiunta di punti di monitoraggio a sistemi esistenti, la serie clamp-on offre una soluzione flessibile:

→ Serie CS: Progettata specificamente per tubazioni fitte all’interno di armadi e moduli. Il sensore si fissa direttamente sulla parete esterna del tubo (ad es. PTFE, PFA, tubi metallici), eliminando strutturalmente la possibilità di perdite in corrispondenza dei giunti. Il suo ingombro estremamente ridotto ne facilita l’integrazione in spazi ristretti tra i gruppi di batterie.
→ Serie CPD: Basandosi sull’installazione a morsetto, la serie CPD offre uno schermo di visualizzazione e un’interfaccia operativa. Il personale in loco può ottenere in modo intuitivo i dati di portata, facilitando notevolmente la messa in servizio e la manutenzione delle apparecchiature sul campo.

Spinta dalla tendenza dei sistemi di accumulo di energia (ESS) a evolversi verso livelli elevati di sicurezza ed efficienza, una gestione termica affidabile costituisce la base per un funzionamento robusto del sistema. Fornendo sensori di flusso a ultrasuoni affidabili, sia a fissaggio a morsetto che in linea, XY-TEK risolve efficacemente i problemi legati ai rischi di perdite, al consumo energetico dovuto alle cadute di pressione e alla compatibilità dei fluidi nei sistemi di raffreddamento a liquido. Grazie a dati oggettivi e precisi sui fluidi, consentiamo ai sistemi di accumulo di energia di raggiungere gli obiettivi operativi di elevata sicurezza e maggiore durata.