{{{sourceTextContent.title}}}

Aufbau eines Sicherheitskonzepts für das Wärmemanagement von ESS

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Anwendungen von Ultraschall-Durchflusssensoren in Flüssigkeitskühlsystemen

{{{sourceTextContent.description}}}

Vor dem Hintergrund der globalen Energiewende hin zu sauberen und kohlenstoffarmen Strukturen werden elektrochemische Energiespeichersysteme (ESS) in großem Maßstab eingesetzt. Da die Energiedichte einzelner Batteriezellen und der Gesamtsysteme weiter steigt, ist das Wärmemanagement während der Lade- und Entladezyklen zu einem zentralen Faktor geworden, der die Lebensdauer und Sicherheit der Systeme beeinflusst.

Im Vergleich zu herkömmlichen Luftkühlungslösungen hat sich die Flüssigkeitskühlungstechnologie mit ihrer höheren Wärmeaustauscheffizienz und ihrer überlegenen Konsistenz bei der Temperaturregelung zum gängigsten Ansatz für das Wärmemanagement bei ESS entwickelt. Die Einführung von Flüssigkeitskühlkreisläufen stellt jedoch auch höhere Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Systemdesigns und die langfristige Wartung. Innerhalb des Kühlkreislaufs ist eine genaue und stabile Durchflussüberwachung ein entscheidender Faktor für die Bewertung der Wärmeabfuhrleistung, die frühzeitige Erkennung von Anomalien und die Gewährleistung eines sicheren Systembetriebs.

1. Herausforderungen bei der Durchflussüberwachung in flüssigkeitsgekühlten ESS

Energiespeicheranlagen erfordern in der Regel eine lange Lebensdauer. Bei längerem Betrieb stoßen herkömmliche Durchflussmesstechnologien innerhalb von Flüssigkeitskühlkreisläufen auf folgende technische Engpässe:

→ Leckagerisiken: Flüssigkeitskühlleitungen befinden sich in unmittelbarer Nähe zu Batteriemodulen und elektrischen Komponenten. Herkömmliche Durchflussmesser erfordern für die Installation das Zerschneiden von Rohren, was die Anzahl der Dichtungsflächen an den Verbindungsstellen erhöht und folglich das Sicherheitsrisiko durch Kurzschlüsse oder Korrosion aufgrund von Kühlmittelleckagen vergrößert. Daher sind hochdichte oder berührungslose Messlösungen von großem technischem Wert.
→ Erhöhter Strömungswiderstand und parasitärer Stromverbrauch: Laufräder oder strömungsdämpfende Komponenten im Inneren mechanischer Durchflussmesser verändern den Zustand der Flüssigkeit und erzeugen einen nicht zu vernachlässigenden Druckabfall. Dies zwingt die Wasserpumpen der Kühlmittelverteilungseinheit (CDU) dazu, kontinuierlich unter hoher Belastung zu arbeiten, was den Hilfsstromverbrauch des Systems erhöht.
→ Mechanischer Verschleiß und Messabweichungen: Kühlmittel kann während des langfristigen Kreislaufs Mikroverunreinigungen oder Ablagerungen bilden, was zum Verschleiß oder sogar zum Festfressen mechanischer Rotoren führt. Dies verursacht nicht nur Abweichungen in der Messgenauigkeit und löst Fehlalarme aus, sondern kann auch zu Fehleinschätzungen bei den Strategien zum Wärmemanagement führen.
→ Kühlmittelverträglichkeit: Um die Anforderungen an Frostschutz und elektrische Isolierung zu erfüllen, hat sich das in Flüssigkeitskühlsystemen verwendete Medium schrittweise von herkömmlichen Ethylenglykol-Wasser-Lösungen zu speziellen Frostschutzmitteln oder nichtleitenden fluorierten Flüssigkeiten erweitert. Elektromagnetische Durchflussmesser, die auf Leitfähigkeit basieren, sind für hochisolierende Flüssigkeiten ungeeignet.

2. Anpassungsfähigkeit und Vorteile der Ultraschall-Sensortechnologie

Die Ultraschall-Durchflussmesstechnik erfüllt die Anforderungen an Platzbedarf, Energieverbrauch und langfristige Zuverlässigkeit von ESS-Flüssigkeitskühlsystemen und zeichnet sich durch eine hervorragende Anpassungsfähigkeit an verschiedene Anwendungen aus:

→ Nicht-invasive Messung zur Gewährleistung der Rohrleitungsintegrität: Aufsteckbare Ultraschallsensoren können direkt an der Außenwand des Rohrs angebracht werden, ohne dass dieses aufgeschnitten werden muss. Dies eliminiert das Leckagerisiko und reduziert gleichzeitig die Komplexität der Fertigung, Montage und der anschließenden Wartung erheblich.
→ Keine durchflussbegrenzenden Komponenten für einen geringeren Energieverbrauch der Pumpe: Unabhängig davon, ob eine Inline- oder eine Aufsteckkonstruktion verwendet wird, befinden sich keine mechanischen Durchflussbegrenzer im Messkanal. Der Strömungswiderstand ist äußerst gering, was zur Optimierung des Energieverbrauchs der Pumpen und zur Verbesserung des Gesamtleistungsfaktors (COP) des Systems beiträgt.
→ Kein mechanischer Verschleiß für langfristige Stabilität: Da keine beweglichen Innenteile vorhanden sind, gewährleistet der Sensor eine stabile Messung auch im langfristigen Dauerbetrieb, wodurch die durch Durchflussmesserausfälle verursachten Betriebs- und Wartungskosten erheblich gesenkt werden.
→ Medienvielfalt: Da die Messung auf dem Laufzeitverfahren basiert, ist sie nicht durch die Leitfähigkeit des Mediums eingeschränkt und somit weitgehend kompatibel mit wasserbasierten Kühlmitteln sowie verschiedenen neuen, hochisolierenden Kühlmedien.

3. XY-TEK-Produktauswahlmatrix

Um den Installations- und Prozessanforderungen an verschiedenen Knotenpunkten innerhalb des ESS gerecht zu werden, bietet XY-TEK zwei Hauptkategorien von Lösungen an: Inline- und Clamp-On-Sensoren.

3.1 Hochintegrierte Inline-Überwachung: TAD-/TPD-/TPK-Serie
Inline-Sensoren werden in der Regel bereits während der Montagephase der Anlage als Teil der Flüssigkeitskühlungseinheit oder des Rohrleitungssystems integriert. Im Vergleich zu Clamp-on-Modellen werden Inline-Sensoren über Armaturen direkt an die Rohrleitung angeschlossen. Diese Bauweise ist unabhängig von den Materialien der Außenrohre, gewährleistet eine extrem hohe Messgenauigkeit und langfristige Konsistenz und zeichnet sich durch einen glatten, totraumfreien Durchflusskanal aus:

→ TPK-Serie: Zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise aus, die speziell für beengte interne Durchflusswege in Schränken entwickelt wurde, und minimiert den Druckverlust der Flüssigkeit auf ein extrem niedriges Niveau, während gleichzeitig eine hohe Durchflussmessgenauigkeit gewährleistet wird.
→ TPD-Serie: Verwendet ein hochfestes Kunststoffgehäuse, das ein leichtes Design mit Kosteneffizienz verbindet, und verfügt über ein integriertes Display, um die Inbetriebnahme vor Ort zu erleichtern.
→ TAD-Serie: Verfügt über ein integriertes Display und eine vollständig aus Edelstahl gefertigte Konstruktion. Sie verfügt über eine hervorragende Druckbeständigkeit und strukturelle Festigkeit und eignet sich daher für komplexe Betriebsbedingungen mit hohen baulichen Anforderungen.

3.2 Flexible und sichere nicht-invasive Überwachung: CS-/CPD-Serie
Für Anwendungsszenarien, bei denen höchste Dichtheitsstandards gefordert sind oder bei denen Überwachungspunkte zu bestehenden Systemen hinzugefügt werden müssen, bietet die Clamp-On-Serie eine flexible Lösung:

→ CS-Serie: Speziell für dichte Rohrleitungen in Schränken und Modulen konzipiert. Der Sensor wird direkt an die Außenwand des Rohrs (z. B. PTFE, PFA, Metallrohre) geklemmt, wodurch die Möglichkeit von Leckagen an Verbindungsstellen konstruktiv ausgeschlossen wird. Dank seiner extrem geringen Einbaugröße lässt er sich leicht in enge Zwischenräume zwischen Batterieclustern integrieren.
→ CPD-Serie: Aufbauend auf der Clamp-On-Montage verfügt die CPD-Serie über ein Display und eine Bedienoberfläche. Das Personal vor Ort kann Durchflussdaten intuitiv abrufen, was die Inbetriebnahme und Wartung der Anlagen vor Ort erheblich erleichtert.

Angetrieben vom Trend, dass sich Energiespeichersysteme (ESS) in Richtung hoher Sicherheit und hoher Effizienz entwickeln, bildet ein zuverlässiges Wärmemanagement die Grundlage für einen robusten Systembetrieb. Durch die Bereitstellung zuverlässiger aufsteckbarer und in-line-Ultraschall-Durchflusssensoren löst XY-TEK effektiv die Probleme von Leckagerisiken, Energieverbrauch durch Druckabfall und Medienkompatibilität in Flüssigkeitskühlsystemen. Mit objektiven und präzisen Fluiddaten ermöglichen wir es Energiespeichersystemen, die Betriebsziele hoher Sicherheit und verlängerter Lebensdauer zu erreichen.