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Gestión precisa de los electrolitos en la fabricación de baterías de flujo

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Uso de caudalímetros ultrasónicos de fijación por abrazadera CPD en la inyección de electrolitos

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Antecedentes de la aplicación

A medida que se acelera la transición energética mundial, la tecnología de almacenamiento de energía a gran escala se ha convertido en una infraestructura fundamental para facilitar la integración de las energías renovables en la red eléctrica y la regulación de la frecuencia y los picos de la red.
Entre las diversas vías tecnológicas de almacenamiento de energía, las baterías de flujo (especialmente las baterías de flujo redox de vanadio, VRFB) destacan por sus ventajas únicas: la capacidad de almacenamiento viene determinada por el volumen de electrolito, mientras que la potencia depende del tamaño de la pila, lo que permite una configuración flexible.
• Larga vida útil: Capaces de superar los 10 000 ciclos, lo que supera con creces a las baterías de iones de litio.
• Alta seguridad: El electrolito es una solución acuosa, lo que elimina el riesgo de combustión o explosión.
• Respetuosas con el medio ambiente: El electrolito es reciclable y no contamina con metales pesados.

La importancia de la inyección de electrolito en la fabricación de baterías de flujo
El electrolito es la «sangre» de una batería de flujo, y el control preciso de su inyección influye directamente en el rendimiento de la batería.
• La precisión de la inyección determina la uniformidad de las celdas: las desviaciones en el volumen de inyección dentro de un mismo lote afectan directamente a la uniformidad de la capacidad.
• El proceso de inyección afecta a la vida útil de la batería: una inyección desigual provoca diferencias de concentración locales, lo que acelera la pérdida de capacidad.
• La eficiencia de la inyección afecta a los costes de producción: un sistema de inyección eficiente y preciso reduce las tasas de desechos y mejora la eficiencia de la producción.

Un sistema de batería de flujo se compone principalmente de
• Dos depósitos de electrolito: que almacenan los electrolitos positivo y negativo, respectivamente.
• Pila: compuesta por múltiples celdas individuales conectadas en serie para llevar a cabo reacciones electroquímicas.
• Sistema de bombas de circulación: impulsa el electrolito para que circule entre los depósitos y la pila.
• Sistema de control: incluye válvulas, sensores de presión, sensores de caudal, filtros, etc.
El electrolito es extraído de los depósitos por las bombas de circulación, bombeado a la pila, completa la reacción de carga/descarga a ambos lados de la membrana de intercambio protónico y vuelve a los depósitos, formando un sistema completo de circulación externa.

Retos del sector

Retos en la medición del caudal de electrolito
• Precisión insuficiente en los métodos tradicionales: Métodos como la inyección por gravedad o la inyección a presión tienen dificultades para lograr un control del caudal de alta precisión de ±2 %.
• Impacto de los cambios en las propiedades físicas: La viscosidad y la densidad del electrolito varían con la temperatura y la concentración, lo que afecta a la precisión de la medición del caudal.
• Escasa uniformidad entre lotes: Las fluctuaciones en el volumen de inyección provocan diferencias de rendimiento en las celdas de un mismo lote, lo que afecta al rendimiento del producto.
• Dificultad en el control coordinado de las bombas de circulación: Las bombas positivas y negativas, que proporcionan caudales diferentes a la misma velocidad, provocan un suministro desigual de reactivos y agravan la polarización de concentración.
• Riesgos de fugas: Los caudalímetros de contacto están en contacto directo con electrolitos corrosivos, lo que supone un riesgo de fugas.
• Contaminación del sensor: Las sustancias activas del electrolito pueden depositarse en el interior del sensor, lo que afecta a la precisión de la medición.
• Altos costes de mantenimiento: Los caudalímetros tradicionales requieren una calibración y limpieza periódicas, lo que supone una elevada carga de trabajo de mantenimiento.
• Falta de inteligencia: Carece de funciones de diagnóstico inteligente y mantenimiento predictivo basadas en los datos de caudal.

Introducción a la aplicación

El sensor/medidor de caudal ultrasónico de fijación por abrazadera de la serie CPD es capaz de medir en tiempo real el caudal de diversos medios corrosivos y de alta pureza, y ofrece las siguientes ventajas técnicas fundamentales:
• Funcionamiento colaborativo de varias unidades: en el sistema de preparación de electrolitos, varios medidores CPD funcionan de forma sinérgica para medir el caudal de agua blanda y de electrolito concentrado en tiempo real, lo que garantiza la precisión de la mezcla.
• Medición del caudal de inyección en tiempo real: respuesta a nivel de milisegundos con una pantalla LCD que muestra los caudales de inyección en tiempo real.
• Control en bucle cerrado: las señales de caudal se retroalimentan al PLC para controlar la velocidad de la bomba de inyección y la apertura de la válvula.
• Estadísticas por lote: el cálculo del volumen acumulado de inyección garantiza la consistencia en cada lote.
• Monitorización de la circulación de electrolito positivo/negativo: En el sistema de circulación de la batería de flujo, se instalan medidores CPD tanto en las tuberías de circulación positivas como en las negativas para una monitorización síncrona de doble canal.
• Control del equilibrio de flujo: Ajusta las velocidades de las bombas de circulación en función de las diferencias de caudal entre los polos positivo y negativo para garantizar un suministro equilibrado de reactivos.
• Detección de burbujas: El caudalímetro/sensor de caudal ultrasónico CPD detecta burbujas de aire en los tubos y emite alertas en tiempo real.
• Detección de fugas: Una caída repentina del caudal puede indicar una fuga en una tubería.
• Aviso de obstrucción: una disminución gradual del caudal puede indicar una obstrucción del filtro.
• Alarma de anomalía: las alarmas inmediatas ante anomalías en el caudal evitan la polarización por concentración del electrolito.
• Múltiples interfaces de comunicación: admite 4-20 mA, RS485, Modbus RTU y otros métodos de salida para la integración con sistemas de control.
• Software de visualización del caudal: Proporciona el software de monitorización específico «FlowViewer» para la supervisión remota del caudal, el registro de datos y la generación de informes.

Características destacadas de la aplicación

• Alta precisión de medición: Alcanza una precisión de ±2 % y una repetibilidad de ±0,1 %, lo que mejora la precisión de la inyección, garantiza la consistencia de los lotes y reduce las desviaciones.
• Adaptabilidad a múltiples medios: la precisión de la medición no se ve afectada por los cambios en la viscosidad del medio.
• Reducción del consumo energético: optimiza el control de la inyección basándose en la información de caudal en tiempo real, lo que reduce el consumo energético de la bomba.
• Velocidad de respuesta del sistema: el tiempo de respuesta del control automatizado se ha reducido de segundos a milisegundos.
• Aprovechamiento del electrolito: el control preciso reduce el desperdicio de electrolitos costosos.
• Diseño sin contacto: los sensores de caudal/medidores de caudal de pinza CPD pueden fijarse directamente al exterior del tubo, quedando completamente aislados del electrolito.
• Diseño resistente a la corrosión: la carcasa del sensor está fabricada con materiales resistentes a la corrosión y cuenta con un grado de protección IP67, lo que la hace adecuada para entornos industriales exigentes.
• Diseño de bajo mantenimiento: no requiere limpieza periódica. Incluso con un uso frecuente, el ciclo de calibración puede ajustarse a 1-2 años, lo que reduce los costes de mano de obra y de piezas de recambio.
• Sin piezas móviles: sin desgaste, con un tiempo medio entre fallos (MTBF) de hasta 50 000 horas y una vida útil de entre 5 y 10 años.
• Sin riesgo de fugas: la ausencia total de contacto con el electrolito elimina el riesgo de fugas.
• Ahorro en costes de instalación: la instalación mediante abrazaderas reduce los gastos de modificación de la tubería.
• Análisis de datos: los datos de caudal trazables permiten optimizar los parámetros del proceso de inyección.
• Mantenimiento predictivo: predice los fallos del equipo basándose en el análisis de datos para un mantenimiento preventivo.
• Monitorización remota del caudal: Admite la integración con plataformas industriales de IoT para la monitorización remota en tiempo real.

• Aplicabilidad en múltiples escenarios
o Medición precisa del caudal para electrolitos positivos/negativos en baterías de flujo de plomo-vanadio (VRFB).
o Medición del caudal para medios altamente corrosivos en baterías de flujo de hierro-cromo.
o Medición del caudal de medios complejos en baterías de flujo de zinc-bromo.

• Aplicabilidad en múltiples procesos
o Medición del caudal para las proporciones de mezcla de las materias primas de los electrolitos.
o Medición precisa del caudal para el flujo de inyección de las celdas.
o Monitorización y optimización del flujo de circulación del electrolito durante el funcionamiento de la batería.

Resumen del valor para el cliente
• Mayor uniformidad en la inyección: la mayor precisión en la inyección garantiza un rendimiento constante de las celdas y refuerza la reputación de la marca.
• Reducción del coste total de propiedad (TCO): menores costes totales de uso a lo largo de todo el ciclo de vida de la instalación, el funcionamiento y el mantenimiento.
• Aumento de la eficiencia operativa: una mayor automatización en la medición del caudal reduce la intervención manual y los costes de mano de obra.
• Fiabilidad del sistema: el diseño de alta fiabilidad garantiza una producción continua y estable.
• Base de datos: los datos precisos sobre el caudal constituyen la base para la fabricación inteligente.
• Control automático: admite diversas salidas de comunicación para la integración con sistemas de control automatizados.
• Ampliabilidad futura: admite diseños personalizados, ampliaciones funcionales y actualizaciones.

Conclusión

En el contexto del rápido desarrollo del sector de las baterías de almacenamiento de energía, la precisión en la inyección de electrolito y el control de la circulación se han convertido en factores clave que limitan la calidad del producto y la eficiencia operativa de las baterías.
Verificado mediante aplicaciones prácticas, el sensor de caudal ultrasónico de montaje en abrazadera CPD ofrece una solución fiable para la medición del caudal en los equipos de inyección de electrolito de las baterías de almacenamiento de energía, gracias a sus características no invasivas, de alta precisión, alta repetibilidad e inteligencia. No solo resuelve los puntos débiles de los métodos de medición tradicionales en cuanto a precisión, fiabilidad y facilidad de mantenimiento, sino que también ofrece un sólido apoyo para la optimización de procesos, la mejora de la calidad y el control de costes en la producción de baterías de flujo gracias a sus capacidades inteligentes.