Gigafactory de batteries – Mise à niveau depuis des sécheurs à purge chauffée vers des sécheurs à purge par soufflante en acier inoxydable

Meta Description :  Comment CATL a remplacé quatre sécheurs à purge chauffée énergivores par quatre sécheurs à purge par soufflante en acier inoxydable de 85 m³/min, atteignant un point de rosée de -40 °C, une perte nulle d’air comprimé lors de la purge et une réduction de 40 % de la consommation énergétique.

Figure : 85 Nm³/min Sécheur à air dessiccant à soufflante sans purge en acier inoxydable s

Présentation du Client

Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL)  , le plus grand fabricant mondial de batteries pour véhicules électriques (VE), exploite une usine géante à haut rendement produisant des cellules lithium-ion. Le système d’air comprimé de l’usine a une capacité totale de 340 m³/min (20 400 m³/h)  , prenant en charge :

• Salles de séchage des électrodes (point de rosée ≤ -40 °C obligatoire)
• Pneumatique de la chaîne d’assemblage à grande vitesse
• Purge des salles propres et air pour instruments

La fabrication de batteries évite strictement les sécheurs réfrigérés en raison du risque de transport d’eau liquide dû à des évacuations de condensat défectueuses. L’usine avait initialement installé quatre sécheurs à adsorption à régénération chauffée (à micro-chaleur) , chacun ayant un débit nominal de 85 m³/min – un choix courant avant que la technologie de régénération par soufflante haute efficacité ne devienne économiquement compétitive.

Points de douleur

L'existant sécheurs à régénération chauffée  (également appelés sécheurs à micro-chaleur ou sécheurs à adsorption chauffés extérieurement) ont causé plusieurs problèmes opérationnels et financiers :

• Perte importante d’air de purge :  Les sécheurs à régénération chauffée consomment encore 5 à 8 % du débit nominal  pour la régénération, même avec des résistances électriques. Pour quatre unités de 85 m³/min fonctionnant en parallèle (débit total d’environ 300 à 340 m³/min), cela signifiait ~20 m³/min d’air comprimé sec constamment évacués  vers l'atmosphère.
• Consommation électrique élevée :  Chaque sécheur nécessitait des résistances électriques (généralement de 15 à 25 kW) pendant la phase de régénération, ce qui augmentait la facture énergétique.
• Instabilité du point de rosée sous charge maximale :  Pendant l’été, les températures et l’humidité élevées en entrée nuisaient à l’efficacité de la régénération. Le point de rosée augmentait parfois au-dessus de -35 °C , ce qui soulevait des inquiétudes lors de la surveillance de la salle sèche.
• Usure des vannes et maintenance :  La fréquence de cycle (généralement de 60 à 120 minutes) provoquait une usure des vannes pneumatiques tous les 12 à 18 mois. L’usure du déshydratant due aux variations fréquentes de pression générait des poussières, obstruant les filtres en aval.
• Risque lié à la construction en acier au carbone :  Les sécheurs d’origine étaient équipés de tours et de tuyauteries en acier au carbone. Avec le temps, des particules de rouille internes se formaient, risquant de contaminer l’environnement de la salle sèche – ce qui est inacceptable pour la production de batteries.

Figure : 85 Nm³/min Sécheur à air dessiccant à soufflante sans purge en acier inoxydable

CATL avait besoin d'une solution de séchage sans purge, ultra-fiable  avec pièces mouillées en acier inoxydable  afin d’éliminer les risques de corrosion et de permettre une évolution vers des lignes de production futures.

Pourquoi ne pas opter pour un séchoir à chaleur de compression (HOC) ?

Bien que les séchoirs à chaleur de compression (HOC) n’entraînent aucune purge ni aucun chauffage électrique, ils exigent que la température de refoulement du compresseur amont soit constamment supérieure à 120 °C. Les compresseurs à vis sans huile existants de CATL, bien que modernes, fonctionnent à des charges variables et peuvent parfois présenter une température de refoulement inférieure à 100 °C en cas de faible demande. Un séchoir HOC nécessiterait alors une source de chaleur supplémentaire ou un système de régulation par contournement, ce qui ajouterait de la complexité. Le client préférait une conception éprouvée de séchoir à adsorption avec purge par soufflante  fonctionnant de manière autonome, indépendamment des variations de charge du compresseur.

Notre solution

Nous avons proposé de remplacer les quatre séchoirs à adsorption à purge chauffée existants par quatre nouveaux séchoirs à adsorption en acier inoxydable avec purge par soufflante  – chacun évalué 85 m³/min (5100 m³/h)  , configurés en parallèle (trois en fonctionnement, un en secours). Le système utilise de l'air ambiant chauffé pour la régénération  sans perte d'air comprimé lors de la purge.

Équipement clé

• Séchoirs :  Quatre BlowerDry-HRB-850GRD  sécheurs à adsorption, chacun d'une capacité de 85 m³/min. Tous les composants entrant en contact avec l'air (tours, canalisations, vannes) sont acier inoxydable 304  – éliminant ainsi la rouille et garantissant une propreté conforme aux normes pharmaceutiques/aux batteries.
• Méthode de régénération :  Un ventilateur haute efficacité aspire l'air ambiant, le fait passer à travers un chauffage électrique (portant sa température à 150–200 °C ), et purge la tour hors ligne. L'air chargé d'humidité est évacué. Aucun air comprimé provenant du réseau d'usine n'est utilisé  – aucune perte par purge. Le refroidissement est assuré par de l'air ambiant non chauffé, via le même ventilateur.
• Système de contrôle :  Un automate programmable maître (Siemens S7-1500) coordonne les quatre sécheurs, équilibre les temps de fonctionnement et commute automatiquement l'unité de secours lorsque l'un des sécheurs en service atteint son intervalle d'entretien. Surveillance en continu du point de rosée (≤ -40 °C) et alarmes à distance intégrées au système de contrôle distribué (DCS) de CATL.
• Filtration:  Les préfiltres (1 µm) éliminent les dépôts provenant des conduites ; les post-filtres (0,01 µm) retiennent les fines de dessiccant. Aucun filtre à huile n'est nécessaire (compresseurs sans huile en amont).

Spécifications de performance

Figure : Schéma de raccordement du système de compression d'air

Livraison et installation

Le projet a été exécuté pendant une coupure planifiée de trois semaines :

• Conception et essai d’acceptation en usine (FAT) (5 semaines) :  Approbation technique, certificats de matériaux en acier inoxydable et essais d’acceptation en usine (FAT) des quatre sécheurs.
• Livraison (2 semaines après le FAT) :  Livré à la gigafactory.
• Installation (3 semaines) :  

• • Retrait des quatre anciens sécheurs à régénération chauffée.
  • Installation des nouveaux sécheurs à soufflante en acier inoxydable sur châssis compacts.
  • Reconfiguration des collecteurs de tuyauterie pour une configuration de 3 unités en fonctionnement + 1 unité en secours.
  • Alimentation électrique améliorée pour les soufflantes et les réchauffeurs.
  • Connecté au système de contrôle distribué (DCS).

• Mise en service (1 semaine) :  Essais d’étanchéité, étalonnage du point de rosée et formation des opérateurs.

Aucune interruption imprévue n’est survenue.

Résultats et avantages (12 mois après la mise en service)

*La perte par purge nécessite une production supplémentaire d’air comprimé de 20 m³/min. La puissance spécifique typique des compresseurs à vis sans huile est de 6 kW par m³/min → économie continue de puissance de compresseur de 120 kW.

Avantages quantifiables

• Économies d'énergie :  L’élimination de la perte par purge a permis d’économiser environ 120 kW de puissance de compresseur. La réduction de la puissance des chauffages et des ventilateurs y a également contribué. Économie annuelle totale d’électricité : ≈¥520,000 (sur la base de 0,70 ¥/kWh, 24 h/24, 7 j/7, 365 j/an).
• Fiabilité de la production :  Le point de rosée n’a jamais dépassé -40 °C. Le contrôle de l’humidité dans la salle sèche est devenu plus stable, et aucun défaut de revêtement lié à l’humidité n’a été signalé.
• Élimination des contaminations :  Les tours et les tuyauteries en acier inoxydable ont éliminé le risque de particules de rouille. Les filtres en aval ne présentent désormais aucune contamination par l’oxyde de fer – un critère essentiel pour la propreté des batteries.
• Réduction de la maintenance :  Plus besoin de vannes de purge à haut cycle (les anciens sécheurs comportaient des vannes qui effectuaient un cycle toutes les 1 à 2 heures). Les sécheurs à purge par soufflante n’utilisent que deux vannes principales par tour, avec des cycles de 6 à 8 heures. L’usure du déshydratant est pratiquement arrêtée.
• Redondance et évolutivité :  Avec quatre unités (3 + 1), CATL peut effectuer la maintenance de n’importe quel sécheur sans interrompre la production. La capacité excédentaire permet également d’absorber d’éventuelles extensions futures de la ligne.
• ROI :  Coût total installé ≈ ¥2,400,000. Économies annuelles (énergie + maintenance) ≈ 520 000 ¥ + 170 000 ¥ = 690 000 ¥. Délai de retour sur investissement ≈ 3,5 ans . CATL a standardisé cette conception pour ses autres usines.

Témoignage client

« Nos anciens sécheurs à régénération chauffés gaspillaient 8 % de notre air comprimé et ne parvenaient pas à maintenir de façon fiable un point de rosée de -40 °C. Les nouveaux sécheurs à régénération par soufflante en acier inoxydable nous offrent un point de rosée extrêmement stable, aucune perte par purge et aucune contamination par la rouille. Les économies d’énergie seules ont justifié cette mise à niveau. »
— Responsable principal des installations, Gigafactory CATL