{{{sourceTextContent.title}}}

Präzises Elektrolytmanagement bei der Herstellung von Flussbatterien

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Einsatz von CPD-Ultraschall-Durchflussmessern mit Klemmbefestigung bei der Elektrolyteinjektion

{{{sourceTextContent.description}}}

Hintergrund der Anwendung

Angesichts der sich beschleunigenden globalen Energiewende sind großtechnische Energiespeichertechnologien zu einer kritischen Infrastruktur geworden, um die Netzintegration erneuerbarer Energien sowie die Netzfrequenz- und Spitzenlastregelung zu unterstützen.
Unter den verschiedenen technologischen Ansätzen zur Energiespeicherung zeichnen sich Flussbatterien (insbesondere Vanadium-Redox-Flussbatterien, VRFB) durch ihre einzigartigen Vorteile aus: Die Speicherkapazität wird durch das Elektrolytvolumen bestimmt, während die Leistung von der Größe des Batteriestapels abhängt, was eine flexible Konfiguration ermöglicht.
• Lange Zyklenlebensdauer: Mit über 10.000 Zyklen übertreffen sie Lithium-Ionen-Batterien bei weitem.
• Hohe Sicherheit: Der Elektrolyt ist eine wässrige Lösung, wodurch das Risiko einer Entzündung oder Explosion ausgeschlossen ist.
• Umweltfreundlich: Der Elektrolyt ist recycelbar und verursacht keine Schwermetallbelastung.

Die Bedeutung der Elektrolyteinjektion bei der Herstellung von Flussbatterien
Der Elektrolyt ist das „Blut“ einer Flussbatterie, und seine präzise Steuerung bei der Einspritzung wirkt sich direkt auf die Batterieleistung aus.
• Die Injektionsgenauigkeit bestimmt die Konsistenz der Zellen: Abweichungen im Einspritzvolumen innerhalb derselben Charge wirken sich direkt auf die Kapazitätskonsistenz aus.
• Der Einspritzprozess beeinflusst die Lebensdauer der Batterie: Eine ungleichmäßige Einspritzung führt zu lokalen Konzentrationsunterschieden und beschleunigt den Kapazitätsverlust.
• Die Einspritzeffizienz beeinflusst die Produktionskosten: Ein effizientes und präzises Einspritzsystem reduziert die Ausschussquote und verbessert die Produktionseffizienz.

Ein Flussbatteriesystem besteht hauptsächlich aus
• Zwei Elektrolyttanks: Zur Speicherung des positiven bzw. negativen Elektrolyts.
• Stack: Besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen, um elektrochemische Reaktionen durchzuführen.
• Umwälzpumpensystem: Sorgt dafür, dass der Elektrolyt zwischen den Tanks und dem Stack zirkuliert.
• Steuerungssystem: Umfasst Ventile, Drucksensoren, Durchflusssensoren, Filter usw.
Der Elektrolyt wird von den Zirkulationspumpen aus den Tanks angesaugt, in den Stack gepumpt, durchläuft dort die Lade-/Entladereaktion auf beiden Seiten der Protonenaustauschmembran und kehrt anschließend in die Tanks zurück, wodurch ein geschlossenes externes Zirkulationssystem entsteht.

Herausforderungen in der Industrie

Herausforderungen bei der Durchflussmessung von Elektrolyten
• Unzureichende Genauigkeit herkömmlicher Methoden: Bei Methoden wie der Schwerkraft- oder Druckeinspritzung ist es schwierig, eine hochpräzise Durchflussregelung mit einer Genauigkeit von ±2 % zu erreichen.
• Auswirkungen von Änderungen der physikalischen Eigenschaften: Die Viskosität und Dichte des Elektrolyten ändern sich mit der Temperatur und der Konzentration, was die Genauigkeit der Durchflussmessung beeinträchtigt.
• Mangelnde Chargenkonsistenz: Schwankungen im Einspritzvolumen führen zu Leistungsunterschieden bei Zellen aus derselben Charge, was sich auf die Produktausbeute auswirkt.
• Schwierigkeiten bei der koordinierten Steuerung der Umwälzpumpen: Plus- und Minuspumpen, die bei gleicher Drehzahl unterschiedliche Durchflussraten liefern, führen zu einer ungleichmäßigen Zufuhr der Reaktanten und verstärken die Konzentrationspolarisation.
• Leckagerisiken: Kontakt-Durchflussmesser stehen in direktem Kontakt mit korrosiven Elektrolyten, was Leckagegefahren mit sich bringt.
• Sensorverschmutzung: Wirkstoffe im Elektrolyten können sich im Inneren des Sensors ablagern und die Messgenauigkeit beeinträchtigen.
• Hohe Wartungskosten: Herkömmliche Durchflussmesser erfordern regelmäßige Kalibrierung und Reinigung, was zu einem hohen Wartungsaufwand führt.
• Fehlende Intelligenz: Es fehlen intelligente Diagnose- und vorausschauende Wartungsfunktionen auf Basis der Durchflussdaten.

Anwendungsbeschreibung

Der aufsteckbare Ultraschall-Durchflusssensor bzw. Durchflussmesser der CPD-Serie ermöglicht die Echtzeit-Durchflussmessung für verschiedene korrosive und hochreine Medien und bietet folgende wesentliche technische Vorteile:
• Zusammenarbeit mehrerer Geräte: Im Elektrolytaufbereitungssystem arbeiten mehrere CPD-Messgeräte synergetisch zusammen, um den Durchfluss von Weichwasser und konzentriertem Elektrolyt in Echtzeit zu messen und so die Mischgenauigkeit sicherzustellen.
• Echtzeit-Messung des Einspritzdurchflusses: Reaktionszeit im Millisekundenbereich mit einem LCD-Bildschirm, der die Einspritzdurchflussraten in Echtzeit anzeigt.
• Regelkreis: Durchflusssignale werden an die SPS zurückgemeldet, um die Drehzahl der Einspritzpumpe und die Ventilöffnung zu steuern.
• Chargenstatistik: Die Berechnung des kumulativen Einspritzvolumens gewährleistet die Konsistenz jeder Charge.
• Überwachung der Zirkulation von positivem und negativem Elektrolyt: Im Zirkulationssystem der Flussbatterie sind CPD-Messgeräte sowohl an den positiven als auch an den negativen Zirkulationsleitungen installiert, um eine zweikanalige synchrone Überwachung zu ermöglichen.
• Durchflussausgleichsregelung: Passt die Drehzahlen der Zirkulationspumpen auf der Grundlage der Durchflussunterschiede zwischen positivem und negativem Pol an, um eine ausgewogene Zufuhr der Reaktanten zu gewährleisten.
• Blasenerkennung: Der CPD-Ultraschall-Durchflussmesser bzw. -Durchflusssensor erkennt Luftblasen in den Leitungen und gibt Echtzeit-Warnmeldungen aus.
• Leckageerkennung: Ein plötzlicher Durchflussabfall kann auf ein Leck in der Leitung hindeuten.
• Verstopfungswarnung: Ein allmählicher Rückgang des Durchflusses kann auf eine Filterverstopfung hindeuten.
• Alarm bei Anomalien: Sofortige Alarme bei Durchflussanomalien verhindern eine Konzentrationspolarisation des Elektrolyts.
• Mehrere Kommunikationsschnittstellen: Unterstützt 4–20 mA, RS485, Modbus RTU und andere Ausgabemethoden zur Integration in Steuerungssysteme.
• Software zur Durchflussvisualisierung: Bietet die spezielle Überwachungssoftware „FlowViewer“ für die Fernüberwachung des Durchflusses, die Datenerfassung und die Erstellung von Berichten.

Anwendungshighlights

• Hohe Messgenauigkeit: Erreicht eine Genauigkeit von ±2 % und eine Wiederholgenauigkeit von ±0,1 %, was die Einspritzgenauigkeit verbessert, die Chargenkonsistenz sicherstellt und Abweichungen reduziert.
• Medienunabhängigkeit: Die Messgenauigkeit wird durch Änderungen der Viskosität des Mediums nicht beeinträchtigt.
• Senkung des Energieverbrauchs: Optimiert die Dosierregelung auf Basis von Durchflussrückmeldungen in Echtzeit und senkt so den Energieverbrauch der Pumpe.
• Reaktionsgeschwindigkeit des Systems: Die Reaktionszeit der automatisierten Steuerung wurde von Sekunden auf Millisekunden verkürzt.
• Elektrolytnutzung: Die präzise Steuerung reduziert den Verschleiß teurer Elektrolyte.
• Berührungsloses Design: CPD-Durchflusssensoren/-messgeräte können direkt an der Außenseite des Schlauchs befestigt werden und sind somit vollständig vom Elektrolyten isoliert.
• Korrosionsbeständiges Design: Das Sensorgehäuse besteht aus korrosionsbeständigen Materialien mit Schutzart IP67 und ist für raue industrielle Umgebungen geeignet.
• Wartungsarmes Design: Keine regelmäßige Reinigung erforderlich. Selbst bei häufigem Einsatz kann der Kalibrierungszyklus auf 1–2 Jahre eingestellt werden, was Arbeits- und Ersatzteilkosten senkt.
• Keine beweglichen Teile: Kein Verschleiß, mit einer mittleren Ausfallzeit (MTBF) von bis zu 50.000 Stunden und einer Lebensdauer von 5–10 Jahren.
• Kein Leckagerisiko: Da kein Kontakt mit dem Elektrolyten besteht, wird das Leckagerisiko ausgeschlossen.
• Einsparungen bei den Installationskosten: Die Clamp-On-Montage reduziert die Kosten für Schlauchumbauten.
• Datenanalyse: Rückverfolgbare Durchflussdaten ermöglichen die Optimierung der Parameter des Einspritzprozesses.
• Vorausschauende Wartung: Prognostiziert Geräteausfälle auf Basis der Datenanalyse für eine vorbeugende Wartung.
• Fernüberwachung des Durchflusses: Unterstützt die Integration in industrielle IoT-Plattformen für die Echtzeit-Fernüberwachung.

• Anwendbarkeit in verschiedenen Szenarien
o Präzise Durchflussmessung für positive/negative Elektrolyte in VRFB.
o Durchflussmessung für hochkorrosive Medien in Eisen-Chrom-Flussbatterien.
o Durchflussmessung für komplexe Medien in Zink-Brom-Flussbatterien.

• Anwendbarkeit in verschiedenen Prozessen
o Durchflussmessung für Mischungsverhältnisse von Elektrolyt-Rohstoffen.
o Präzise Durchflussmessung für den Zellbefüllungsstrom.
o Überwachung und Optimierung des Elektrolyt-Zirkulationsstroms während des Batteriebetriebs.

Zusammenfassung des Kundennutzens
• Verbesserte Konsistenz der Einfüllung: Eine höhere Einfüllgenauigkeit gewährleistet eine gleichbleibende Zellleistung und stärkt den Ruf der Marke.
• Reduzierte Gesamtbetriebskosten (TCO): Geringere Gesamtnutzungskosten über den gesamten Lebenszyklus von Installation, Betrieb und Wartung.
• Steigerung der betrieblichen Effizienz: Eine verstärkte Automatisierung der Durchflussmessung reduziert manuelle Eingriffe und Arbeitskosten.
• Systemzuverlässigkeit: Ein hochzuverlässiges Design garantiert eine kontinuierliche und stabile Produktion.
• Datengrundlage: Präzise Durchflussdaten bilden die Grundlage für Smart Manufacturing.
• Automatische Steuerung: Unterstützt verschiedene Kommunikationsausgänge für die Integration in automatisierte Steuerungssysteme.
• Zukünftige Erweiterbarkeit: Unterstützt kundenspezifische Auslegung, Funktionserweiterungen und Upgrades.

Fazit

Vor dem Hintergrund der rasanten Entwicklung in der Energiespeicher-Batterieindustrie sind die Präzision der Elektrolyteinleitung und die Zirkulationssteuerung zu entscheidenden Faktoren geworden, die die Produktqualität und die Betriebseffizienz der Batterien beeinflussen.
Der in der Praxis bewährte CPD-Ultraschall-Durchflusssensor/-messgerät im Clamp-on-Design bietet dank seiner nicht-invasiven, hochpräzisen, hochgradig wiederholbaren und intelligenten Eigenschaften eine zuverlässige Lösung zur Durchflussmessung für Elektrolyteinfüllanlagen von Energiespeicherbatterien. Er beseitigt nicht nur die Schwachstellen herkömmlicher Messmethoden in Bezug auf Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit, sondern unterstützt durch seine intelligenten Funktionen auch maßgeblich die Prozessoptimierung, Qualitätsverbesserung und Kostenkontrolle bei der Herstellung von Flussbatterien.