Gigafabbrica per batterie – Passaggio da essiccatori con spurgo riscaldato a essiccatori con spurgo a ventilatore in acciaio inossidabile

Meta Description:  In che modo CATL ha sostituito quattro essiccatori a purga riscaldata ad alto consumo energetico con quattro essiccatori a purga con soffiante in acciaio inossidabile da 85 m³/min, raggiungendo un punto di rugiada di -40 °C, zero perdita di aria compressa nella purga e una riduzione del 40% del consumo energetico.

Figura: 85 Nm³/min Essiccatore ad aria rigenerativo con soffiante in acciaio inossidabile a purga zero s

Contesto del Cliente

Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL)  , il più grande produttore al mondo di batterie per veicoli elettrici (EV), gestisce una gigafabbrica ad alta produttività per la produzione di celle agli ioni di litio. Il sistema di aria compressa dell’impianto ha una capacità totale di 340 m³/min (20.400 m³/h)  , supportando:

• Ambienti asciugatura per rivestimento degli elettrodi (punto di rugiada ≤ -40 °C obbligatorio)
• Pneumatica per linea di assemblaggio ad alta velocità
• Purga di ambienti controllati e aria strumentale

La produzione di batterie evita rigorosamente gli essiccatori refrigerati a causa del rischio di trascinamento di acqua liquida causato da scarichi del condensato difettosi. L'impianto aveva inizialmente installato quattro essiccatori ad adsorbimento con rigenerazione riscaldata (a micro-riscaldamento) , ciascuno con portata nominale di 85 m³/min – una scelta comune prima che la tecnologia ad adsorbimento con rigenerazione a soffiante ad alta efficienza diventasse economicamente vantaggiosa.

Punti di dolore

La Commissione ha essiccatori con rigenerazione riscaldata  (noti anche come essiccatori ad adsorbimento a micro-riscaldamento o con riscaldamento esterno) hanno causato diversi problemi operativi e finanziari:

• Consistente perdita di aria di rigenerazione:  Gli essiccatori con rigenerazione riscaldata consumano comunque il 5–8% della portata nominale  per la rigenerazione, anche in presenza di riscaldatori elettrici. Per quattro unità da 85 m³/min funzionanti in parallelo (portata totale ~300–340 m³/min), ciò significava ~20 m³/min di aria compressa essiccata costantemente scaricata  nell'atmosfera.
• Alto consumo elettrico:  Ogni essiccatore richiedeva riscaldatori elettrici (tipicamente da 15 a 25 kW) durante la fase di rigenerazione, incrementando i costi energetici.
• Instabilità del punto di rugiada in condizioni di carico massimo:  Durante l'estate, le elevate temperature e umidità in ingresso compromettevano l'efficienza della rigenerazione. Il punto di rugiada saliva occasionalmente al di sopra di -35°C , causando preoccupazioni nel monitoraggio della stanza asciutta.
• Usura e manutenzione delle valvole:  La frequenza di ciclo (tipicamente da 60 a 120 minuti) provocava l'usura delle valvole pneumatiche ogni 12–18 mesi. L'usura del materiale disidratante dovuta alle continue variazioni di pressione generava polvere, intasando i filtri a valle.
• Rischio legato alla costruzione in acciaio al carbonio:  Gli essiccatore originali erano dotati di torri e tubazioni in acciaio al carbonio. Con il tempo, si formavano particelle di ruggine interna, con il rischio di contaminare l’ambiente della stanza asciutta – condizione inaccettabile per la produzione di batterie.

Figura: 85 Nm³/min Essiccatore ad aria rigenerativo con soffiante in acciaio inossidabile a purga zero

CATL aveva bisogno di una soluzione di essiccazione a zero spurgo, estremamente affidabile  con con parti a contatto con il fluido in acciaio inossidabile  per eliminare i rischi di corrosione e con la possibilità di essere scalata per future linee di produzione.

Perché non utilizzare l’essiccatore a calore di compressione (HOC)?

Sebbene gli essiccatori HOC offrano zero spurgo e nessun riscaldamento elettrico, richiedono che la temperatura di scarico del compressore a monte sia costantemente superiore a 120 °C. I compressori a vite senza olio già presenti presso CATL, pur essendo moderni, funzionano a carichi variabili e talvolta scaricano a temperature inferiori a 100 °C durante i periodi di bassa domanda. L’impiego di un sistema HOC richiederebbe quindi un ulteriore apporto di calore o un controllo di bypass, aumentando la complessità. Il cliente preferiva invece una soluzione consolidata di essiccazione a spurgo con soffiante  che operasse in modo indipendente dalle variazioni di carico del compressore.

La nostra soluzione

Abbiamo proposto la sostituzione dei quattro attuali essiccatori rigenerati a riscaldamento con quattro nuovi essiccatori ad assorbimento a spurgo con soffiante in acciaio inossidabile  – ciascuno con portata nominale 85 m³/min (5100 m³/h)  , configurati in parallelo (tre in funzione, uno di riserva). Il sistema utilizza aria ambiente riscaldata per la rigenerazione  senza perdita di aria compressa per lo spurgo.

Apparecchiatura principale

• Essiccatori:  Quattro BlowerDry-HRB-850GRD  essiccatori a letto fisso, ciascuno con portata di 85 m³/min. Tutti i componenti a contatto con l’aria (torri, tubazioni, valvole) sono acciaio inossidabile 304  – eliminando la formazione di ruggine e garantendo una pulizia conforme ai requisiti farmaceutici e per batterie.
• Metodo di rigenerazione:  Un ventilatore ad alta efficienza aspira l’aria ambiente, la fa passare attraverso un riscaldatore elettrico (portandone la temperatura a 150–200°C ), e purga la torre offline. L'aria umida viene espulsa. Non viene utilizzata aria compressa dalla rete dell'impianto  – perdita di purga pari a zero. Il raffreddamento avviene mediante aria ambiente non riscaldata, tramite lo stesso ventilatore.
• Sistema di controllo:  Un PLC master (Siemens S7-1500) coordina i quattro essiccatori, bilanciando il tempo di funzionamento e commutando automaticamente l'unità di riserva quando un essiccatore in funzione raggiunge il proprio intervallo di manutenzione. Monitoraggio online del punto di rugiada (≤ -40 °C) e allarmi remoti integrati nel DCS di CATL.
• Filtrazione:  Prefiltri (1 µm) rimuovono le incrostazioni delle tubazioni; filtri post-essiccazione (0,01 µm) catturano le particelle fini dell’agente essiccante. Non sono necessari filtri per olio (compressori privi di olio installati a monte).

Specifiche delle prestazioni

Figura: Schema di collegamento del sistema di compressione dell'aria

Consegna e installazione

Il progetto è stato eseguito durante un fermo programmato di 3 settimane:

• Progettazione e test di accettazione in fabbrica (FAT) (5 settimane):  Approvazione ingegneristica, certificati di materiale in acciaio inossidabile e test di accettazione in fabbrica (FAT) di tutti e quattro gli essiccatori.
• Consegna (2 settimane dopo il FAT):  Consegnato alla gigafactory.
• Installazione (3 settimane):  

• • Rimozione dei quattro vecchi essiccatori a rigenerazione riscaldata.
  • Installazione dei nuovi essiccatori con ventilatore in acciaio inossidabile su skid compatti.
  • Riconfigurazione delle tubazioni di distribuzione per una configurazione con 3 unità operative + 1 di riserva.
  • Potenziamento dell’alimentazione elettrica per i ventilatori e i riscaldatori.
  • Connesso al sistema DCS.

• Messaggio in servizio (1 settimana):  Prove di tenuta, taratura del punto di rugiada e formazione degli operatori.

Non si sono verificati fermi non programmati.

Risultati e benefici (12 mesi dopo il messaggio in servizio)

*La perdita di spurgo richiede una produzione aggiuntiva di 20 m³/min di aria compressa. La potenza specifica tipica per compressori a vite senza olio è di 6 kW per m³/min → risparmio di 120 kW di potenza continua del compressore.

Benefici quantificabili

• Risparmio Energetico:  L’eliminazione della perdita di spurgo ha consentito un risparmio di circa 120 kW di potenza del compressore. Un ulteriore contributo è derivato dalla riduzione della potenza degli scambiatori di calore e dei ventilatori. Risparmio annuo totale di energia elettrica: ≈¥520,000 (basato su ¥0,70/kWh, 24 ore su 24, 7 giorni su 7, 365 giorni all’anno).
• Affidabilità produttiva:  Il punto di rugiada non ha mai superato i -40 °C. Il controllo dell’umidità nella stanza asciutta è diventato più stabile e non sono stati segnalati difetti di rivestimento legati all’umidità.
• Eliminazione delle contaminazioni:  Le torri e le tubazioni in acciaio inossidabile hanno eliminato il rischio di particelle di ruggine. I filtri a valle non presentano più contaminazione da ossido di ferro – requisito fondamentale per la pulizia delle batterie.
• Riduzione della manutenzione:  Nessuna necessità più di valvole di spurgo ad alto ciclo (gli essiccatori vecchi avevano valvole che ciclavano ogni 1–2 ore). Gli essiccatori a spurgo con ventilatore utilizzano solo due valvole principali per torre, con cicli di 6–8 ore. L’usura del materiale disidratante è praticamente cessata.
• Ridondanza e scalabilità:  Con quattro unità (3+1), CATL può eseguire la manutenzione di qualsiasi essiccatore senza interrompere la produzione. La capacità di riserva consente inoltre di gestire futuri ampliamenti della linea.
• ROI:  Costo totale installato ≈ ¥2,400,000. Risparmi annuali (energia + manutenzione) ≈ ¥520.000 + ¥170.000 = ¥690.000. Periodo di recupero dell’investimento ≈ 3,5 anni . CATL ha standardizzato questa soluzione per altri impianti.

Testimonianza del cliente

«I nostri vecchi essiccatori a spurgo riscaldato sprecavano l’8% della nostra aria compressa e non riuscivano a mantenere in modo affidabile una temperatura di rugiada di -40 °C. I nuovi essiccatori a spurgo con ventilatore in acciaio inossidabile garantiscono una temperatura di rugiada estremamente stabile, zero perdita di aria di spurgo e nessuna contaminazione da ruggine. Il solo risparmio energetico ha giustificato l’aggiornamento.»
— Responsabile Senior delle Utility, Gigafabbrica CATL