חדרי ייבוש מתקדמים לדיוק מקסימלי של טמפרטורות ולחות בהרכבה וייצור של סוללות ליתיום.
חדרים יבשים בסוללות ממלאים תפקיד חיוני בתעשיית הסוללות, ומבטיחים ביצועים מיטביים על ידי שמירה על רמות לחות נמוכות, מניעת בעיות הקשורות ללחות וקידום תהליכי ייצור עקביים. שמירה על רמת לחות קבועה ויבשה במיוחד דורשת אנרגיה רבה. חדרים יבשים בסוללות מייצגים 43% מסך האנרגיה המשמשת בתהליך ייצור הסוללה.
עם יבשנים של COTES, ניתן לצמצם את צריכת האנרגיה הזו באופן דרמטי ולהפיק את האנרגיה שנותרה ממקורות אנרגיה ברי קיימא. מסוגלים להבטיח את התנאים המיטביים לבדיקות.
פתרונות ייבוש האוויר החסכוניים באנרגיה של COTES מפחיתים משמעותית את צריכת האנרגיה בתהליך ייצור הסוללות. מעבר לחיסכון בעלויות, הם מאפשרים יעילות תפעולית גבוהה תוך צמצום ההשפעה על הסביבה.
COTES שמתמחה בעולם בהקמה של פרויקטים לחדרי יבוש לסוללות ליתיום, מ1986 נחשבת לחברה מקצועית בעולם לחדרי יבשים בייצור סוללות ליתיום. היתרון של החברה, היא שיש לה את הכלים לבחור את היחס הנכון בין כמות תופי הסיליקה ג'ל לבין הדרישות לנקודות הטל. היחידה שפיתחה טכנולוגיות עם 2 תופים, שתומכות בנקודות טל נמוכות מ 80⁰c-
תהליכי הליבה בייצור סוללות ליתיום-יון כגון ייצור אלקטרודות והרכבת תאי סוללה מבוצעים בחדרי נקי ויבש (C&D). במאמר זה, נשקול לעומק את האתגרים של חדרים נקיים ויבשים בייצור סוללות במיוחד מנקודת מבט של HVAC.
שוק הסוללות היה עד לצמיחה משמעותית בשנים האחרונות המונעת מהביקוש הגובר לרכבים חשמליים (EV) ופתרונות אחסון חשמל ירוק. כושר הייצור הנוכחי של אירופה עבור סוללות ליתיום-יון הוא 128 GWh. לפי הערכות מומחים נתון זה יגיע בין 1000-2000GWh עד שנת 2030. כדי להיענות על הביקוש הזה, מתוכננים ונבנים מתקני ייצור סוללות חדשים, המכונה בדרך כלל מפעלי גיגה, ברחבי העולם.
"מפעל-ג'יגה" הוא מונח שאנו יכולים לאתר אותו לראשונה בשימוש על ידי טסלה של איילון מאסק בשנת 2013. כיום, הוא הפך למונח נפוץ בקרב חברות העוסקות במפעלי ייצור סוללות, רכבים חשמליים ומוצרי טכנולוגיה נקייה אחרים.
תהליך ייצור סוללת ליתיום-יון: סקירה מקיפה
תהליך הייצור של סוללות ליתיום-יון כולל מספר שלבים, כולל ייצור האנודה, הקתודה, האלקטרוליט והמפריד ולאחר מכן הרכבה של רכיבים אלו לתא שלם. התאים עוברים היווצרות ובדיקה לאחר ההרכבה כדי לוודא שהם עומדים בתקני ביצועים ספציפיים.
להבנה מעמיקה יותר של תהליך ייצור סוללת הליתיום-יון, ניתן להציג אותו ב 13 שלבים:
תהליכי הליבה בייצור סוללות ליתיום-יון כגון ייצור אלקטרודות (שלבים 2 ו-7) והרכבת תאי סוללה (שלב 8) מבוצעים בחדרים נקיים ובחדרים יבשים, הנקראים בדרך כלל חדרי C&D. במאמר זה, נשקול לעומק את המוזרות ואת האתגרים של חדרים נקיים ויבשים בייצור סוללות.
תקנים חיוניים לחדר נקי בייצור סוללות ליתיום-יון
מהו חדר נקי בייצור סוללות? חדר נקי הוא חלל מהונדס שנועד לשמור על ריכוז נמוך מאוד של חלקיקים הנישאים באוויר. הוא מאופיין בבידוד, בקרת זיהום וניקוי מתמשך להשגת רמת הניקיון הרצויה.
האוויר החיצוני הסביבתי באזור עירוני טיפוסי מכיל 35,000,000 חלקיקים לכל מטר מעוקב בטווח הגדלים של 0.5 מיקרומטר ומעלה. חדרים נקיים מסווגים לפי מספר וגודל החלקיקים המותרים לכל נפח אוויר. סיווג חדרים נקיים לפי תקן FS209E, כמו "class 100" או "class 1,000" מציין את מספר החלקיקים בגודל 0.5 מיקרומטר או יותר המותר לכל רגל מעוקב של אוויר. המערכות של COTES מסופקות בהתאם לדרישות עם כל דרגות הסינון באיכות הגבוהה ביותר.
החדרים הנקיים לייצור סוללות משתמשים בדרך כלל בדרגות הניקיון הבאות של ISO 8, ISO7 ו-ISO6 לפי תקן ISO 14644-1 או דרגות מקבילות 100,000; 10,000; ו-1,000 לפי תקן FS209E. המעמדות הללו שייכים למעמד הביניים של הניקיון.
תקנים חיוניים לחדר יבש בייצור סוללות ליתיום-יון
אבל מלבד הניקיון, חדר התהליך בייצור סוללות יהיה יבש. חדר יבש הוא מקום עם רמת לחות נמוכה מבוקרת באוויר. באוויר של משרדים או חדרי מגורים משותפים יש 4.9…9.9 גרם מים לכל ק"ג אוויר (או 30…60% מהלחות היחסית), אבל החדר היבש בייצור סוללות חייב יש פחות מ-0.3 גרם מים לכל ק"ג אוויר (או פחות מ-2% מהלחות היחסית).
ליתיום ואלקטרוליטים רגישים מאוד ותגובתיים ללחות, ולכן חיוני לפעול בחדרים נקיים עם שליטה בלחות נמוכה במיוחד. אפשר אפילו לומר שיש חשיבות מכרעת אם אתה רוצה להיות בטוח באיכות ובאמינות הסוללות המיוצרות. היבשנים של COTES מתוכננים ומיוצרים בדנמרק בדיוק מירבי עבור יציבות ואמינות המערכות, היבשנים עומדים בכל התקנים הנדרשים במפעלי ייצור הסוללות.
שיקולי HVAC בחדרים נקיים ויבשים של Giga-Factory
רמת הלחות בייצור הסוללות משתנה בהתאם לשלב התהליך. בדרך כלל, במהלך הרכבת התא, נכון לעכשיו, נקודת הטל נעה בין 35⁰c- ל 45⁰c-, המקבילה ללחות מוחלטת של 0.10555 עד 0.2841 גרם מים לק"ג אוויר יבש. עם זאת, עם הדורות הבאים של סוללות Li-ion, התעשייה עדה למגמה של נקודות טל נמוכות עוד יותר, לפעמים מגיעות ל 60⁰c- ואפילו מתחת ל 80⁰c- באזורים קריטיים כמו מילוי אלקטרוליטים.
הדרישה ליובש מוגבר באוויר המונעת על ידי הדחיפה לרמות לחות נמוכות יותר בחדרים נקיים הובילה לצריכת אנרגיה מוגברת, המהווה חלק ניכר מעלויות ייצור סוללת הליתיום-יון.
מכיוון שנקודת הטל הנדרשת היא מתחת לאפס מעלות, לא ניתן להשיג את רמת היובש הנדרשת בחדרים נקיים ויבשים בתהליך הייבוש במחזור הקירור, אלא רק באמצעות חומר ייבוש, כלומר טכנולוגיית ייבוש ספיחה. מערכת HVAC של חדר C&D טיפוסי מורכבת מיחידת איפור לטיפול באוויר (AHU) המספקת אוויר צח ויחידת ייבוש (DHU) לביצוע תהליך ייבוש מתמשך. עם יבשנים של COTES, ניתן לשמור על נקודות טל נמוכות מ 80⁰c- ולצמצם את צריכת האנרגיה באופן דרמטי ולהפיק את האנרגיה שנותרה ממקורות אנרגיה ברי קיימא.
יבשן דיסיקנט (DHU) מכיל תוף מייבש, גופי חימום, מסננים ומפוחים. תוף היבשן הוא סוג נפוץ של מסיר לחות שסופג באמצעות חומר הסיליקה ג'ל. חומר מצופה על משטח הרוטור. העיקרון הבסיסי של טכנולוגיית הסרת לחות סיבובית הוא שהאוויר מועבר דרך רוטור (גלגל) של ייבוש חלת דבש הכולל משטח הסרת לחות פעיל גדול. הרוטור עשוי לרוב מסרט אלומיניום גלי המגולגל לסליל שעל פני השטח מצופה סיליקה ג'ל בריכוז גבוה, המספק יכולת ספיחה גבוהה (יכולת לספוח מולקולות מים). במקרה זה, אוויר התהליך הלח עובר דרך הרוטור, ולאוויר התהליך היוצא יש תכולת לחות נמוכה בהרבה בשל הלחות המופקת בתהליך ספיחה של סיליקה ג'ל.
היבשנים של Cotes מתוכננים באיזון מושלם בין קוטר התוף, חימום אוויר הרענון ואוויר התהליך להשגת תפוקות מירביות תוך התחשבות ברצון ליעילות אנרגטית גבוהה ככל הניתן
כדי שתהליך ייבוש זה ימשיך, נדרשת הסרת הלחות מהרוטור בזרם אוויר נפרד בזרימה נגדית. אוויר רענון מחומם עד למקסימום של 150 מעלות צלזיוס, ומוריד את הלחות היחסית לרמות נמוכות מאוד. ואז האוויר החם עובר דרך אזור הרענון של הרוטור. האוויר בלחות יחסית נמוכה בטמפרטורה גבוהה מספיק כדי לשבור את הקשר המולקולרי בין אדי המים לסיליקה ג'ל. כאשר הלחות חודרת לאוויר, היא גורמת לזרימת אוויר חמה ולחה אשר לאחר מכן נפלטה אל החלק החיצוני של מסיר הלחות.
באופן כזה, רוטור המייבש (גלגל) משחזר ללא הרף את יכולתו לספוח מולקולות מים מזרימת האוויר בתהליך. זרימת האוויר של ההפעלה מחדש מבצעת גם את הפונקציה הנוספת של ניקוי הרוטור ממזהמים שעלולים להימצא על פני הרוטור. סיבוב רציף של הרוטור מספק תהליך בלתי פוסק של ספיחה/הפעלה מחדש.
ל-DHU יכול להיות בין גלגל ספיגה אחד לשלושה וזרימת אוויר רענון עם טמפרטורות מ80 עד 150 מעלות צלזיוס בהתאם למבנה וליעילות.
ההיבטים המעשיים של תכנון חדר נקי ויבש לייצור סוללות
חדר C&D בנוי בדרך כלל עם קירות בהירים בתוך בניין התהליך. בניית קיר קלה זו חייבת לספק את רמת אטימות האוויר והלחות הנדרשת. חשוב להבטיח שלא רק הקירות והתקרה יהיו הדוקים אלא גם שרצפת החדר מספקת בידוד לחות הולם כדי למנוע חדירת לחות דרך הבטון.
כאשר מתחילים עיצוב חדר C&D חשוב להעריך את כמות האנשים והחומרים בתוך מעטפת החדר הנקי. יש לתכנן מראש גודל נכון ומספר מנעולי אוויר שישמשו כשטחי ביניים המונעים העברת אוויר מזוהם. מנעולי אוויר אלו מסווגים ל-Personal AirLocks (PAL) ו-Material AirLocks (MAL).
החלל המעוצב מעל החדר הנקי הינו חדר קטן הנקרא פלנום, המיועד לאיזון לחצים ופיזור אוויר בחלל הנקי שמתחתיו. רצפת הפלנום תהיה ניתנת להליכה, היא נקראת גם התקרה הניתנת להליכה של החדר הנקי. זה חשוב לתחזוקה נכונה של מערכות אוורור, ברקים, כיבוי אש ומערכות אחרות המיועדות לחדר C&D ללא זיהום והפרעות עיקריות בתהליך.
חדרי C&D יהיו בלחץ יתר בהשוואה לחללים שמסביב כדי למנוע כניסת אוויר רטוב ומזוהם. זרימת האוויר האספקה הטרי נקבעת בעיקר על ידי פיצוי האוויר עבור פליטת תהליך מקומי, רמת האוויר הנחוצה מעל לחץ האוויר והאוויר הצח הדרוש לצוות. ככל שהחדר C&D אטום יותר, כך נדרשים פחות משאבים כדי לשמור על האווירה הפנימית הרצויה.
שיקולי עיצוב מרכזיים עבור פלנום אוויר:
אופטימיזציה של בקרת איכות האוויר והלחות בחדרים נקיים
בתכנון ותפעול של חדרים נקיים, השגה ושמירה על איכות האוויר והלחות הרצויים הם קריטיים. בואו נעמיק בכמה שיקולים מרכזיים:
ניקיון האוויר בחדר C&D:
ישנן גישות טכנולוגיות מסוימות לשמור על ניקיון האוויר בחדר C&D.
חילופי האוויר הנדרשים כדי לשמור, למשל, על ISO7 (מחלקה 10,000) היא בין 30 ל-60 החלפות אוויר
בשעה (ACH). זה מספיק כדי לספק את רמת הניקיון הדרושה באוויר.
שמירה על רמת לחות הכרחית: שמירה על רמת הלחות הדרושה באוויר מצריכה לעיתים החלפת אוויר אינטנסיבית יותר כדי להסיר לחות מהאנשים בחדר. כיוון, הצוות שעובד ב C&D – הוא מקור זיהום הלחות הגדול ביותר. לדוגמה, זה יספיק להיות 30 עד 60 החלפות אוויר בשעה כדי לשמור על רמת הלחות של החדר בנקודת טל בין 35⁰c- ל 45⁰c-, אבל כדי לשמור על רמת הלחות ב 60⁰c- מעלות צלזיוס באותו חדר עם אותה נקודת טל, מספר העובדים ידרוש כבר 180 החלפות אוויר בשעה. לפיכך, עם ירידה בנקודת הטל ואותה רמת זיהום לחות, חילופי האוויר גדלים בצורה דרסטית, ומתן נקודת טל של עד 80⁰c- מעלות צלזיוס בחדר עם נוכחות כוח אדם יכול להיות מאתגר מאוד. מגמה להורדת טמפרטורת נקודת הטל בחדר תתבצע בו-זמנית עם צוות חלופי בחדר עם קווים אוטומטיים ורובוטים.
הקצאת שטח למערכות HVAC בעיצוב חדרים נקיים
בהתחשב בצורך במקום לציוד ה-HVAC, נדרש בשלב התכנון גם לזכור את ההמלצות להקצאת החלל. במהלך שלב התכנון, חשוב להקצות מספיק מקום לציוד HVAC:
המלצות אלו ניתנות ללא התחשבות בציוד ייבוש, אשר עשוי לדרוש מקום נוסף. כאשר אנו מדברים על נקודת טל בין 60⁰c- ל 80⁰c-, חדר HVAC יכול להיות גדול יותר מהחדר הנקי שהוא משרת.
איזון בין יעילות אנרגטית וקיימות בייצור סוללות ליתיום-יון על ידי פתרונות HVAC חדשניים
ניתוח של מפעלי הגיגה הקיימים לייצור סוללות ליתיום-יון מראה שצריכת האנרגיה של מערכות HVAC לחדר נקי ויבש יכולה להיות 29…38% מסך צריכת האנרגיה של המפעל, בהתאם לרמת הלחות הנדרשת ולעומסים הקיימים. צריכת אנרגיה כה גבוהה לשמירה על אווירה פנימית בייצור סוללות עלולה להוביל לפליטות ניכרות של גזי חממה שעלולה להפחית את היתרונות הסביבתיים של סוללות ליתיום-יון.
לפיכך, חשוב לשלב אמצעי פיצוי כבר בשלב התכנון ליצירת מערכת HVAC מאוזנת וחסכונית יותר באנרגיה. לא ניתן להשיג זאת רק באמצעות מערכת האוורור, אלא יש לשקול זאת בצורה הוליסטית, תוך התחשבות בכל מקורות האנרגיה ואמצעי הצריכה של מפעלי הגיגה. יש לכוונן את האיזון לפחות בין מערכות אוורור, הסרת לחות, חימום, קירור ואספקת חשמל.
מפעל ייצור הסוללות ישתמש במספר סוכני העברת חום ברמות טמפרטורה שונות למטרות שונות, כגון מים ב 10°C ,+35°C ,+65°C ,+ 6°C+ ו 95°C+, הנדרשים עבור התהליך ומערכות העזר. למרות שזה מהווה אתגר, זה גם מציע הזדמנות לפתח מאזן אנרגיה חזק בשלב מוקדם בשלבי התכנון כדי לעמוד בטכנולוגיית הייצור. רמות טמפרטורה שונות יכולות להקל על השימוש במשאבות חום בינוניות וגבוהות כדי לייעל את צריכת האנרגיה.
פתרונות ברי קיימא לעיצוב Giga-Factory
בהתחשב בשאיפה לקיימות של ייצור סוללות ליתיום-יון והפחתת טביעת הרגל של CO2, יש לאמץ את השיקולים הבאים בעיצובים חדשים של מפעל גיגה:
יש הרבה פתרונות טכנולוגיים חדשניים ליישום עבור מפעלי גיגה. לדוגמה, שימוש ביבשן (DHU) עם מספר רוטורים והפעלה מחדש בטמפרטורות נמוכות ב-80 עד 90 מעלות צלזיוס,
במקום 130 עד 150 מעלות צלזיוס המסורתיות, מאפשרת יישום של משאבות חום יעילות לחום הפעלה מחדש, במקום להסתמך על על שריפת דלק מאובנים. כמו כן, ניתן להשתמש במשאבות חום בו-זמנית לייצור מים חמים למערכות חימום ולהפקת מים צוננים לשלב 4 תהליך שחזור הממס.
הטכנולוגיה החדשנית והבקרה של Cotes מאפשרת פעולה מסונכרנת של 2-3 תופי סיליקה ג'ל אשר מאפשרים שמירה על נקודות הטל הנדרשות והורדת טמפרטורות אוויר רענון גבוהות. בעזרת הטכנולוגיה הזאת צריכת האנרגיה יורדת משמעותית וחוסכת עלויות גבוהות.
מיקומו של מפעל גיגה עתידי הוא החלטה קריטית. לדוגמה, המדינות הנורדיות נמצאות באזוריה אקלים עם לחות ממוצעת נמוכה לאורך כל השנה ויש להן פרספקטיבה טובה לפיתוח פרויקטים של מפעלי ג'יגה מכיוון שפחות אנרגיה תושקע בהסרת לחות באוויר צח.
לחסכון במים, חכם להשתמש במקררים יבשים אדיאבטיים במקום במגדלי קירור, וזה שוב פתרון מוצלח למדינות נורדיות. בהתחשב בהשקעה הראשונית ובעלות הכוללת של צריכת המים בתהליך, פתרון טכנולוגי זה יכול להפחית ביעילות את ההשפעה על משאבי המים המקומיים. בנוסף, חשוב לחשוב ולפתח את מערכת הניהול לחיסכון באנרגיה של גיגה-מפעל כבר מתחילת תהליך תכנון המפעל לניטור ובקרה של צריכת אנרגיה וייצור אנרגיה ברמה אופטימלית עבור כל רכיב של המערכת. זה יעזור למקסם את השימוש במקורות אנרגיה מתחדשים ולהפחית את טביעת הרגל של CO2.
על ידי הטמעת פתרונות חדשניים אלה, מפעלי גיגה חדשים יכולים להשיג איזון בין יעילות אנרגטית וקיימות סביבתית, ולהציב סטנדרט חדש לתעשייה.
סיכום הדרישות לתכנון מערכת HVAC לחדרים נקיים בייצור סוללות
חדרים נקיים הם חלק בלתי נפרד מייצור סוללות, בעלי מספר מערכות מכניות ועמידה בתקני ניקיון ולחות מחמירים.
דרישות אלו תורמות לעלויות הבנייה, התפעול והאנרגיה הגבוהות הקשורות לחדרים נקיים, והופכות את מערכות ה-HVAC שלהם ליקרות ומורכבות כאחד.
כדי להשיג עיצוב HVAC מתפקד היטב, חסכוני ובר קיימא, חיוני להתחיל בהערכת זרימת כוח האדם והחומרים בחדר הנקי. שיתוף פעולה עם בעל מפעל הסוללות חיוני לקביעת סיווג החדר הנקי המיועד והסטנדרטים שיש לעמוד בהם. במהלך שלבי התכנון הנוספים, ההיבטים הבאים הם המהות:
אלמנטים עיצוביים קריטיים לחדרי תהליך:
על ידי התמקדות בהיבטים אלה, מעצבים יכולים ליצור חדרי C&D יעילים, בטוחים ותורמים לייצור סוללות באיכות גבוהה.
עם מסיר לחות של COTES, ניתן להשיג חיסכון גבוה באנרגיה, מפחית עלויות ומשתמש במקורות אנרגיה ברי קיימא.
צור קשר עם הצוות המיומן שלנו ולמד עוד על הדרך הנכונה לייבש את החדר היבש של הסוללה שלך ליעילות האנרגיה הגבוהה ביותר.
גלו את המבחר הנרחב שלנו ותנו לנו למצוא את הדרך הנכונה לייבוש עבורכם. Cotes Ultradry שלנו מורכב ממודול ראשי אחד ומודול כניסה אחד.
הגרף שלהלן מציג את תרומות האנרגיה של המקורות השונים לכלל ייצור התא ואנרגיית הרכבת ערכת הסוללות במתקן לייצור סוללות טיפוסי המיוצג כמדד 100.
האתגר הכרוך במערכות קיימות להסרת הלחות שאינן מבית Cotes טמון בהסתמכותן הרבה על חשמל וגז, יחד עם שיטות ייבוש אוויר לא יעילות הפועלות בטמפרטורות גבוהות מאוד. שילוב זה יוצר סביבת הפעלה לא יציבה ומסוכנת.
Cotes פיתחה את ה- Exergic Technology® , פתרון חדשני הממקסם חיסכון באנרגיה על ידי שימוש בשלושה רוטורים ומקורות אנרגיה ברי קיימא.
עם הפטנט Cotes Exergic Technology® , אתה יכול להשתמש בשילוב של מקורות אנרגיה ברי קיימא כדי להשיג חיסכון ניכר בעלויות האנרגיה והפחתת טביעת רגל פחמנית גדולה. כל מה שאתה צריך זה מים חמים ב-80-90 מעלות צלזיוס מחוממים על ידי מקור אנרגיה בר קיימא:
מכיוון שהאנרגיה לחימום המים יכולה להגיע משילוב של מקורות אנרגיה ברי קיימא וניתן לשנותה בעתיד אם מחיר האנרגיה ישתנה, זה הופך את Cotes Exergic Technology ליותר קיימא וחסינת עתיד. גמישות זו אינה אפשרית אם מסיר הלחות בנוי לחידוש גז במיוחד.
**Cotes אינו ממליץ או מחשיב גז כמקור לאנרגיה בת קיימא בשל טביעת הרגל הסביבתית. אנו ממליצים להשתמש באנרגיה למים החמים ממקורות אנרגיה ברי קיימא או "ירוקים" במקום זאת. עם זאת, אם גז הוא דרישה, המים יכולים להגיע מדוד גז מרכזי.
חות מהווה אתגר משמעותי בייצור סוללות, מכיוון שהיא עלולה להוביל לקורוזיה, פירוק אלקטרוליטים וירידה בביצועי הסוללה.
ייצור סוללות כולל טיפול בכימיקלים, ממיסים וחומרים דליקים. על ידי שמירה על סביבה יבשה, אתה מבטל את הסיכון לתאונות ושריפות.
רטיבות עלולה לגרום לחמצון או השפלה של חומרים אלה, ולפגוע בביצועי האלקטרודות ובאמינות הסוללה הכוללת.
© כל הזכויות שמורות ל"עינב טכנולוגיות ייבוש בע"מ"
Site by: VISUAL – Pure Interactiv
