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Mettre en place un dispositif de sécurité pour la gestion thermique des systèmes de stockage d'énergie (ESS)

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Applications des capteurs de débit à ultrasons dans les systèmes de refroidissement par liquide

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Dans le contexte de la transition énergétique mondiale vers des structures propres et à faibles émissions de carbone, les systèmes de stockage d’énergie électrochimiques (ESS) font l’objet d’un déploiement à grande échelle. À mesure que la densité énergétique des cellules de batterie individuelles et des systèmes dans leur ensemble continue d’augmenter, la gestion thermique pendant les cycles de charge et de décharge est devenue un facteur essentiel influant sur la durée de vie et la sécurité des systèmes.

Par rapport aux solutions traditionnelles de refroidissement par air, la technologie de refroidissement par liquide, grâce à son rendement d’échange thermique plus élevé et à une régulation de température plus homogène, est devenue la méthode de gestion thermique dominante pour les ESS. Cependant, la mise en place de circuits de refroidissement par liquide impose également des exigences plus strictes en matière de fiabilité de la conception du système et de maintenance à long terme. Au sein du circuit de refroidissement, une surveillance précise et stable du débit est un élément essentiel pour évaluer les performances de dissipation thermique, détecter rapidement les anomalies et garantir un fonctionnement sûr du système.

1. Défis liés à la surveillance du débit dans les ESS à refroidissement liquide

Les équipements de stockage d’énergie nécessitent généralement une longue durée de vie. Lors d’un fonctionnement prolongé, les technologies traditionnelles de mesure du débit se heurtent aux obstacles techniques suivants au sein des boucles de refroidissement liquide :

→ Risques de fuite : les conduites de refroidissement liquide sont situées à proximité immédiate des modules de batterie et des composants électriques. Les débitmètres traditionnels nécessitent de découper les tuyaux pour leur installation, ce qui augmente le nombre de surfaces d’étanchéité aux joints et, par conséquent, accroît les risques liés à des courts-circuits ou à la corrosion causés par des fuites de liquide de refroidissement. Par conséquent, les solutions de mesure à haute étanchéité ou non invasives présentent un intérêt technique considérable.
→ Augmentation de la résistance à l’écoulement et de la consommation d’énergie parasite : les roues à aubes ou les composants limitant le débit à l’intérieur des débitmètres mécaniques modifient l’état du fluide, générant une chute de pression non négligeable. Cela oblige les pompes à eau de l’unité de distribution du liquide de refroidissement (CDU) à fonctionner en permanence sous des charges élevées, ce qui augmente la consommation d’énergie auxiliaire du système.
→ Usure mécanique et dérive de mesure : le liquide de refroidissement peut générer des micro-impuretés ou des dépôts minéraux lors d’une circulation à long terme, entraînant l’usure, voire le grippage des rotors mécaniques. Cela provoque non seulement une dérive de la précision des mesures et déclenche de fausses alarmes, mais peut également conduire à des erreurs d’appréciation dans les stratégies de gestion thermique.
→ Compatibilité du fluide de refroidissement : afin de répondre aux exigences en matière d’antigel et d’isolation électrique, les fluides utilisés dans les systèmes de refroidissement liquide ont progressivement évolué, passant des solutions classiques à base d’éthylène glycol et d’eau à des antigels spécialisés ou à des fluides fluorés non conducteurs. Les débitmètres électromagnétiques, qui reposent sur la conductivité, ne sont pas adaptés aux fluides hautement isolants.

2. Adaptabilité et avantages de la technologie de détection par ultrasons

Répondant aux exigences en matière d’encombrement, de consommation d’énergie et de fiabilité à long terme des systèmes de refroidissement par liquide des ESS, la technologie de mesure de débit par ultrasons fait preuve d’une excellente adaptabilité aux applications :

→ Mesure non invasive garantissant l’intégrité de la canalisation : les capteurs à ultrasons de type « clamp-on » peuvent être installés directement sur la paroi extérieure du tuyau sans avoir à le percer. Tout en éliminant le risque de fuite, cela réduit considérablement la complexité de l’assemblage en usine et de la maintenance ultérieure.
→ Absence de composants limitant le débit pour une énergie de pompage réduite : que l’on utilise une structure en ligne ou à pince, il n’y a aucun limiteur de débit mécanique à l’intérieur du canal de mesure. La résistance au fluide est extrêmement faible, ce qui contribue à optimiser la consommation énergétique des pompes et à améliorer le coefficient de performance (COP) global du système.
→ Absence d’usure mécanique pour une stabilité à long terme : l’absence de pièces internes mobiles permet au capteur de maintenir la stabilité des mesures pendant un fonctionnement continu à long terme, ce qui réduit considérablement les coûts d’exploitation et de maintenance liés aux pannes des débitmètres.
→ Polyvalence vis-à-vis des fluides : basée sur la méthode du temps de transit, la mesure n’est pas limitée par la conductivité du fluide, ce qui la rend largement compatible avec les liquides de refroidissement à base d’eau et divers nouveaux fluides de refroidissement hautement isolants.

3. Matrice de sélection des produits XY-TEK

Pour répondre aux exigences d’installation et de processus aux différents nœuds du système ESS, XY-TEK propose deux grandes catégories de solutions : les capteurs en ligne et les capteurs à pince.

3.1 Surveillance en ligne hautement intégrée : séries TAD / TPD / TPK
Les capteurs en ligne sont généralement intégrés lors de la phase d’assemblage de l’équipement, au sein de l’unité de refroidissement par liquide ou du système de tuyauterie. Contrairement aux modèles à pince, les capteurs en ligne se raccordent directement à la canalisation via des raccords. Cette conception n’est pas affectée par les matériaux externes des tuyaux, ce qui garantit une précision de mesure extrêmement élevée et une cohérence à long terme, et se caractérise par un canal d’écoulement lisse et sans zone morte :

→ Série TPK : dotée d’une structure compacte, spécialement conçue pour les circuits d’écoulement internes aux armoires où l’espace est restreint, elle minimise la perte de charge du fluide à un niveau extrêmement bas tout en conservant une grande précision de mesure du débit.
→ Série TPD : utilise un boîtier en plastique haute résistance, alliant légèreté et rentabilité, et est équipée d’un écran d’affichage intégré pour faciliter la mise en service sur site.
→ Série TAD : dispose d’un écran d’affichage intégré et adopte une conception structurelle entièrement en acier inoxydable. Elle offre une excellente résistance à la pression et une grande solidité structurelle, ce qui la rend adaptée aux conditions de fonctionnement complexes imposant des exigences structurelles élevées.

3.2 Surveillance flexible, sûre et non invasive : séries CS / CPD
Pour les cas d’utilisation exigeant les normes d’étanchéité les plus élevées ou nécessitant l’ajout de points de surveillance à des systèmes existants, la série à fixation par serrage offre une solution flexible :

→ Série CS : Conçue spécifiquement pour les réseaux de tuyauterie denses à l’intérieur des armoires et des modules. Le capteur se fixe directement sur la paroi extérieure du tuyau (par exemple, PTFE, PFA, tuyaux métalliques), éliminant ainsi structurellement tout risque de fuite au niveau des joints. Son encombrement extrêmement réduit permet de l’intégrer facilement dans les espaces restreints entre les groupes de batteries.
→ Série CPD : s’appuyant sur le principe d’installation par serrage, la série CPD intègre un écran d’affichage et une interface utilisateur. Le personnel sur site peut ainsi obtenir de manière intuitive les données de débit, ce qui facilite considérablement la mise en service et la maintenance de l’équipement sur le terrain.

Dans le sillage de la tendance des systèmes de stockage d’énergie (ESS) à évoluer vers une sécurité et une efficacité accrues, une gestion thermique fiable constitue le fondement d’un fonctionnement robuste du système. En proposant des capteurs de débit à ultrasons fiables, à fixation par serrage ou en ligne, XY-TEK résout efficacement les problèmes liés aux risques de fuite, à la consommation d’énergie due aux pertes de charge et à la compatibilité des fluides dans les systèmes de refroidissement par liquide. Grâce à des données objectives et précises sur les fluides, nous permettons aux systèmes de stockage d’énergie d’atteindre leurs objectifs opérationnels en matière de sécurité élevée et de durée de vie prolongée.