Gigafabryka akumulatorów – modernizacja od suszarek z podgrzewaniem i odpływem do suszarek ze stalowymi dmuchawami i odpływem

Meta Description:  W jaki sposób CATL zastąpiła cztery energochłonne suszarki z ogrzewanym przepływem czterema suszarkami z przepływem wentylatorowym ze stali nierdzewnej o wydajności 85 m³/min, osiągając punkt rosy -40°C, zerowe straty sprężonego powietrza w trybie przepływu oraz redukcję zużycia energii o 40%.

Rysunek: 85 Nm³/min Stalowocynkowa suszarka adsorpcyjna do powietrza ze zredukowanym przepływem wentylatorowym s

Tło Klienta

Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL)  , światowy lider w produkcji akumulatorów do pojazdów elektrycznych (EV), prowadzi wysokowydajną gigafabrykę produkującą ogniwa litowo-jonowe. Łączna wydajność systemu sprężonego powietrza zakładu wynosi 340 m³/min (20 400 m³/h)  , obsługujące:

• Suszarnie pokrywania elektrod (punkt rosy ≤ -40°C – wymóg obowiązkowy)
• Pneumatyka linii montażowej o wysokiej prędkości
• Przepływ powietrza do czystych pomieszczeń i powietrze do przyrządów pomiarowych

Produkcja baterii wyklucza stosowanie suszarek chłodniczych z powodu ryzyka przenoszenia ciekłej wody spowodowanego awarią odpływów kondensatu. Na początku zakład zainstalował cztery suszarki adsorpcyjne z podgrzewanym przepływem purgi (tzw. mikrociepło) , każda o wydajności 85 m³/min – wybór powszechny przed pojawieniem się taniej, wysokowydajnej technologii suszarek z przepływem purgi generowanym przez dmuchawy.

Ból punktów

Istniejący suszarki z podgrzewanym przepływem purgi  (nazywane również suszarkami z mikrociepłem lub zewnętrznie podgrzewanymi suszarkami adsorpcyjnymi) powodowały kilka problemów operacyjnych i finansowych:

• Znaczna utrata powietrza purgi:  Suszarki z podgrzewanym przepływem purgi nadal zużywają 5–8% wydajności nominalnej  do regeneracji – nawet przy zastosowaniu grzałek elektrycznych. Dla czterech jednostek o wydajności 85 m³/min pracujących równolegle (łączna wydajność ~300–340 m³/min) oznaczało to ~20 m³/min suchego sprężonego powietrza stale odprowadzanego do atmosfery  do atmosfery.
• Wysokie zużycie energii elektrycznej:  Każdy suszarka wymagała grzałek elektrycznych (zazwyczaj 15–25 kW) w fazie regeneracji, co zwiększało rachunek za energię elektryczną.
• Niestabilność punktu rosy przy obciążeniu szczytowym:  Latem wysoka temperatura i wilgotność powietrza dopływającego utrudniały skuteczność regeneracji. Punkt rosy czasami wzrastał powyżej -35 °C , co budziło obawy podczas monitorowania pomieszczeń suchych.
• Zużycie zaworów i konieczność konserwacji:  Częstotliwość cyklu (zazwyczaj co 60–120 minut) powodowała zużycie zaworów pneumatycznych co 12–18 miesięcy. Utrata materiału osuszającego w wyniku częstych zmian ciśnienia generowała pył, który zatykał filtry w dalszej części układu.
• Ryzyko związane z konstrukcją ze stali węglowej:  Oryginalne suszarki miały wieże i rurociągi ze stali węglowej. W czasie eksploatacji powstawały cząstki rdzy wewnętrznej, co niosło ryzyko zanieczyszczenia środowiska suchego pomieszczenia – co jest niedopuszczalne w produkcji akumulatorów.

Rysunek: 85 Nm³/min Stalowocynkowa suszarka adsorpcyjna do powietrza ze zredukowanym przepływem wentylatorowym

CATL potrzebowała rozwiązania suszącego bez odprowadzania (zero-purge), o nadzwyczaj wysokiej niezawodności  z części mokre wykonane ze stali nierdzewnej  w celu wyeliminowania ryzyka korozji oraz możliwości skalowania rozwiązania na przyszłe linie produkcyjne.

Dlaczego nie suszarka wykorzystująca ciepło sprężania (HOC)?

Choć suszarki HOC oferują funkcję bez odprowadzania (zero purge) i nie wymagają dodatkowego ogrzewania elektrycznego, to wymagają, aby temperatura gazów wydechowych sprężarki znajdującej się przed nimi była stale wyższa niż 120 °C. Istniejące u CATL bezolejowe sprężarki śrubowe, choć nowoczesne, pracują przy zmiennym obciążeniu i czasem podczas niskiego zapotrzebowania osiągają temperaturę wydechową poniżej 100 °C. Zastosowanie technologii HOC wymagałoby dodatkowego doprowadzania ciepła lub sterowania obejściem, co zwiększyłoby złożoność systemu. Klient wolał sprawdzone, autonomiczne rozwiązanie z suszeniem za pomocą dmuchawy z odprowadzaniem  działające niezależnie od zmian obciążenia sprężarki.

Nasze rozwiązanie

Zaproponowaliśmy wymianę czterech istniejących suszarek z ogrzewaniem i odprowadzaniem na cztery nowe sucharki adsorpcyjne z dmuchawą oczyszczającą ze stali nierdzewnej  – każda o wydajności 85 m³/min (5100 m³/h)  , skonfigurowane równolegle (trzy w ruchu, jedna rezerwowa). System wykorzystuje podgrzane powietrze otoczenia do regeneracji  bez utraty sprężonego powietrza podczas oczyszczania.

Główne wyposażenie

• Suszarnie:  Cztery Sucharki adsorpcyjne BlowerDry-HRB-850GRD  , każda o wydajności 85 m³/min. Wszystkie elementy stykające się z powietrzem (wieże, rurociągi, zawory) wykonane są z nierdzewna stal 304  – eliminując powstawanie rdzy i zapewniając czystość na poziomie farmaceutycznym/baterii.
• Metoda regeneracji:  Wysokosprawny wentylator zasysa powietrze otoczenia, przepuszcza je przez grzejnik elektryczny (podnosząc temperaturę do 150–200°C ), a następnie odprowadza je z wieży pozostającej poza obiegiem. Wilgotne powietrze jest odprowadzane do atmosfery. Nie wykorzystuje się skompresowanego powietrza z sieci zakładu  – brak strat związanych z odprowadzaniem (zero strat przy odprowadzaniu). Chłodzenie odbywa się za pomocą nieogrzewanego powietrza otoczenia przy użyciu tego samego wentylatora.
• System kontrolny:  Główny sterownik PLC (Siemens S7-1500) koordynuje pracę czterech suszarek, wyrównując czas pracy poszczególnych jednostek oraz automatycznie przełączając rezerwową jednostkę na stan roboczy, gdy działająca suszarka osiągnie interwał konieczny do konserwacji. Monitorowanie punktu rosy w czasie rzeczywistym (≤ -40 °C) oraz zdalne alarmy zintegrowane z systemem DCS firmy CATL.
• Filtracja:  Filtry wstępne (1 µm) usuwają osad z rur; filtry końcowe (0,01 µm) zatrzymują drobinki materiału odsączającego. Nie są wymagane filtry olejowe (sprężarki przed suszarkami są bezolejowe).

Specyfikacje wydajności

Rysunek: Schemat połączeń systemu sprężania powietrza

Dostawa i instalacja

Projekt został zrealizowany w ramach zaplanowanego trzytygodniowego postoju:

• Projekt i testy akceptacyjne w zakładzie (5 tygodni):  Zatwierdzenie projektu inżynieryjnego, certyfikaty materiałów ze stali nierdzewnej oraz testy akceptacyjne fabryczne wszystkich czterech suszarek.
• Dostawa (2 tygodnie po testach akceptacyjnych w zakładzie):  Dostarczono do gigafabryki.
• Montaż (3 tygodnie):  

• • Usunięto cztery stare suszarki z podgrzewaniem i odprowadzaniem przez przepływ.
  • Zamontowano nowe suszarki dmuchawowe ze stali nierdzewnej na kompaktowych podstawach.
  • Przebudowano kolektory rurociągów w celu uzyskania konfiguracji 3 działające + 1 rezerwowa.
  • Ulepszony zasilanie elektryczne dla dmuchaw i grzejników.
  • Połączone z systemem DCS.

• Rozruch (1 tydzień):  Testy szczelności, kalibracja punktu rosy oraz szkolenie operatorów.

Nie wystąpiły przypadkowe przestoje.

Wyniki i korzyści (12 miesięcy po wprowadzeniu do eksploatacji)

*Strata przez odpowietrzanie wymaga dodatkowej produkcji powietrza sprężonego w ilości 20 m³/min. Typowa moc właściwa bezolejowych sprężarek śrubowych wynosi 6 kW na m³/min → oszczędność ciągłej mocy sprężarki wynosząca 120 kW.

Mierzalne korzyści

• Oszczędność energii:  Eliminacja straty przez odpowietrzanie pozwoliła zaoszczędzić ok. 120 kW mocy sprężarki. Dodatkowy wkład w oszczędności stanowiła redukcja mocy grzałek i dmuchaw. Łączna roczna oszczędność energii elektrycznej: ≈¥520,000 (na podstawie ceny 0,70 ¥/kWh, 24/7/365).
• Niezawodność produkcji:  Temperatura punktu rosy nigdy nie przekroczyła -40 °C. Sterowanie wilgotnością w pomieszczeniu suchym stało się bardziej stabilne, a nie zgłoszono żadnych wad powłok związanych z wilgocią.
• Eliminacja zanieczyszczeń:  Stalowe wieże i rurociągi ze stali nierdzewnej wyeliminowały ryzyko wystąpienia cząsteczek rdzy. Filtry umieszczone w dalszej części układu nie wykazują już obecności tlenku żelaza – co jest kluczowe dla czystości akumulatorów.
• Redukcja konserwacji:  Nie ma już zaworów oczyszczających pracujących w cyklu wysokiej częstotliwości (stare osuszacze miały zawory przełączające się co 1–2 godziny). Osuszacze z dmuchawą i oczyszczaniem mają tylko dwa główne zawory na każdą wieżę, a ich cykl wynosi 6–8 godzin. Ubytek środka osuszającego praktycznie ustał.
• Redundancja i skalowalność:  Dzięki czterem jednostkom (3 robocze + 1 rezerwowa) CATL może przeprowadzać konserwację dowolnego osuszacza bez przerywania produkcji. Dodatkowa moc umożliwia również rozbudowę linii produkcyjnych w przyszłości.
• ROI:  Całkowity koszt zainstalowania ≈ ¥2,400,000. Roczne oszczędności (energia + konserwacja) ≈ 520 000 ¥ + 170 000 ¥ = 690 000 ¥. Okres zwrotu inwestycji ≈ 3,5 roku . CATL wprowadziła ten projekt jako standardowy dla innych swoich zakładów.

Oświadczenie klienta

„Nasze stare suszarki z ogrzewaniem i oczyszczaniem powietrza zużywały 8 % naszego sprężonego powietrza i nie potrafiły w sposób niezawodny utrzymać temperatury punktu rosy na poziomie −40 °C. Nowe suszarki z oczyszczaniem powietrza za pomocą dmuchawy, wykonane ze stali nierdzewnej, zapewniają nam stałą i niezawodną temperaturę punktu rosy, całkowicie eliminują straty powietrza w cyklu oczyszczania oraz zapobiegają zanieczyszczeniom rdzą. Same oszczędności energii uzasadniały modernizację.”
— Starszy menedżer ds. infrastruktury technicznej, gigafabryka CATL