El fabricante de baterías aumenta la producción con la automatización

Jul 19, 2023

ESS ha implementado robots SCARA y de seis ejes en su línea de montaje automatizada. Foto cortesía de ESS Inc.

Para aprovechar al máximo las fuentes de energía renovables, como la eólica y la solar, las empresas de servicios públicos deben superar el problema de la intermitencia. Cuando el sol no brilla o el viento no sopla, no se genera energía. Además, la red energética fue diseñada para aceptar la producción constante y predecible de las centrales eléctricas que queman combustible, no los bruscos ascensos y caídas producidos por los paneles solares al amanecer y al anochecer.

Para resolver este problema, las empresas de servicios públicos necesitan sistemas de almacenamiento de energía de bajo costo, gran escala y larga duración que almacenen la energía cuando se genera y proporcionen energía cuando sea necesaria. Ahora, la nueva empresa energética ESS Inc. de Wilsonville, Oregón, ha desarrollado una nueva tecnología que promete satisfacer esa necesidad. Los sistemas de baterías de flujo de hierro de la empresa (Energy Warehouse y Energy Center) están diseñados para satisfacer las necesidades energéticas de clientes que van desde pequeñas instalaciones industriales hasta grandes proyectos a escala de servicios públicos.

Las baterías dependen de una mezcla de hierro y agua salada para almacenar energía durante horas más que las baterías de iones de litio. Durante el ciclo de carga, el hierro saturado en el electrolito de agua salada se deposita en el electrodo negativo. Para descargar la batería, se invierte la polaridad y el hierro se disuelve nuevamente en la solución de agua salada. Al gestionar cuidadosamente este proceso, la batería de flujo de hierro puede lograr una vida útil significativamente más larga, de 20.000 ciclos o más, en comparación con los 3.000 a 4.000 ciclos de las baterías de iones de litio, sin degradarse con el tiempo.

En comparación con otras tecnologías de almacenamiento de energía, las baterías de flujo de hierro son más limpias, más seguras, más sostenibles desde el punto de vista medioambiental y más económicas. También son totalmente reciclables. A diferencia de las baterías típicas que se empaquetan como celdas o módulos fijos, una batería de flujo permite que la potencia (la tasa de flujo de electricidad) se desacople de la capacidad (la cantidad total de energía retenida). Como resultado, las instalaciones tienen la flexibilidad de utilizar las baterías para una variedad de aplicaciones.

El Energy Warehouse está construido dentro de un contenedor de envío estándar de 40 pies para facilitar el transporte y la puesta en marcha. Proporciona de seis a 12 horas de almacenamiento, con una potencia nominal de 75 kilovatios (kW), una capacidad energética máxima de 500 kilovatios-hora (kWh) y una capacidad energética nominal de 400 kWh.

El sistema no requiere refrigeración ni aire acondicionado, incluso en entornos desérticos. El sistema de bajo mantenimiento puede proporcionar más de 20.000 ciclos sin pérdida de capacidad durante su vida útil de diseño de 25 años. Eso lo hace ideal para proyectos de energía renovable y servicios públicos que necesitan una larga vida útil y una capacidad de ciclo ilimitada. Además, la electrónica de potencia de respuesta rápida del sistema puede realizar servicios auxiliares de red, como soporte de voltaje y frecuencia en microrredes.

El Centro de Energía es más grande. Diseñado para productores de energía independientes y proyectos a escala de servicios públicos, el Energy Center tiene los mismos módulos de batería de flujo de hierro que el Energy Warehouse, solo que más. Las baterías están alojadas en un edificio en lugar de en un contenedor de envío, por lo que los usuarios pueden personalizar un sistema de almacenamiento de energía para satisfacer sus necesidades exactas.

La tecnología de ESS ya está ganando interés en todo el mundo. Por ejemplo, la empresa está trabajando en un proyecto con Coldwell Solar, un importante desarrollador de proyectos de energía renovable para los sectores comercial, agrícola y de servicios públicos de California. Las unidades de almacenamiento se integrarán a los sistemas de energía solar en tres bodegas del condado de Mendocino.

ESS también ha entregado un almacén de energía al aeropuerto Schiphol de Ámsterdam, en los Países Bajos, el segundo aeropuerto más grande de Europa continental. El sistema se está utilizando en un proyecto piloto para demostrar la viabilidad de retirar los generadores diésel del aeropuerto, que suministran energía eléctrica a las aeronaves estacionadas.

Y, el otoño pasado, Consumers Energy, el proveedor de energía más grande de Michigan, seleccionó a ESS para proporcionar un almacén de energía para un sistema de energía solar en una instalación de compresión de gas. Consumers Energy proporciona gas natural y electricidad a dos tercios de los 10 millones de residentes de Michigan. El proyecto ayudará a la empresa de servicios públicos a alcanzar los objetivos establecidos en la Hoja de ruta de almacenamiento de energía para Michigan. Publicada en abril de 2022 por el Departamento de Medio Ambiente, Grandes Lagos y Energía de Michigan, la hoja de ruta exige 1.000 megavatios (MW) de almacenamiento de energía para 2025 y 4.000 MW para 2040.

El Energy Warehouse está construido dentro de un contenedor de envío estándar de 40 pies. Proporciona de seis a 12 horas de almacenamiento, con una potencia nominal de 75 kW y una capacidad energética máxima de 500 kWh. Foto cortesía de ESS Inc.

Para satisfacer la creciente demanda de sus productos, ESS ha trabajado arduamente para aumentar la producción, comenzando por mejorar el diseño de los productos.

Las primeras versiones de la pila de baterías de la empresa se ensamblaban manualmente. “Los tornillos se apretaron manualmente. El cableado se realizó manualmente”, recuerda Eric Dresselhuys, director general de ESS.

Años de I+D y pruebas de campo finalmente dieron como resultado un diseño de batería que no sólo era más potente, sino también más limpio y más fácil de producir. “Nuestro diseño S200 es una batería de 50 kWh. Es un diseño soldado, mucho más fabricable y mucho más duradero”, afirma Dresselhuys.

Se produjo una evolución similar con el otro componente clave de la batería de flujo de hierro, la bomba de protones.

“La bomba de protones mantiene equilibrados los electrolitos del sistema. Esto permite un ciclo efectivamente ilimitado de la unidad, asegurando que el electrolito esté limpio, claro y equilibrado para almacenar electricidad”, explica Dresselhuys. “La unidad original fue construida manualmente. Tenía muchas conexiones. El diseño de segunda generación es mucho más limpio y tiene menos conexiones. Todo está soldado. Tiene una huella más pequeña. Cuesta menos y es más confiable”.

Otro ejemplo de cómo ESS mejoró el diseño y la calidad es el cableado. En el pasado, los ensambladores conectaban manualmente cientos de extremos de cables, punto por punto. "Ahora hemos consolidado todo eso en un solo arnés que se puede conectar muy rápidamente", dice Vince Canino, director de operaciones de ESS. “Lo llamamos cariñosamente 'arnés de pulpo', por todos sus tentáculos. Ha mejorado la confiabilidad y la calidad de nuestras construcciones y ha reducido la cantidad de mano de obra”.

Para facilitar la comunicación, los ingenieros de diseño y los ingenieros de fabricación trabajan juntos en el taller. “No quiero que nadie se pregunte: '¿por qué puso ese agujero para el perno allí?'”, dice Canino.

La empresa también se ha beneficiado del desarrollo de relaciones de colaboración con los proveedores. Por ejemplo, la empresa trabajó con proveedores de moldeo por inyección para desarrollar piezas de plástico grandes e intrincadas con tolerancias precisas.

“Nuestros proveedores hacen negocios con nosotros. Nosotros les ayudamos y ellos nos ayudan. No se trata de reducir muchos costes”, afirma Canino.

El software monitorea cada aspecto del proceso de ensamblaje automatizado. Foto cortesía de ESS Inc.

Otra forma en que la empresa ha aumentado el rendimiento es mediante la implementación de manufactura esbelta. Cuando Canino se incorporó a ESS en noviembre de 2022, la empresa aplicaba lean, “pero no estaba en nuestro ADN”, admite.

Entonces, Canino contrató a un líder para hacer que Lean fuera parte de la cultura corporativa, desde el taller hasta la puesta en marcha de los sistemas en el campo. "Encontrar y eliminar residuos no es sólo un proceso que se enseña: es una forma de pensar", dice Canino. “Hemos trabajado para eliminar días, luego horas y luego segundos de cada paso de nuestros procesos de fabricación para permitir que nuestra gente se concentre solo en aquellos pasos que agregan valor.

"Lean no es ciencia espacial, pero cuando estás construyendo algo nuevo, te sorprendería lo mucho que necesitas volver a lo básico", añade.

Hoy en día, ESS está muy avanzado en su viaje lean. La gestión visual es evidente en toda la fábrica. Los paneles y los medidores de progreso comunican las métricas de producción para que todos las vean. Los Kanbans gobiernan el reabastecimiento de piezas. Una “tienda de alcohol ilegal” pone a prueba las sugerencias de mejora de los trabajadores.

ESS comenzó aplicando los principios de las 5S. Por ejemplo, la empresa reorganizó su almacén para agilizar el proceso de selección de piezas para la planta de producción. Esto ahorró horas de tiempo a los trabajadores al reducir la necesidad de buscar piezas. Las estaciones de trabajo se organizaron con tableros que solo contienen las herramientas necesarias en esa estación. Los contornos en los tableros indican dónde se deben guardar las herramientas, lo que garantiza que los técnicos puedan encontrar rápidamente lo que se necesita e identificar las herramientas faltantes.

A los principios de las 5S en el centro de Lean, ESS agregó una sexta S: seguridad. "La seguridad es fundamental para todo lo que hacemos y es complementaria al lean", dice Canino. "Mejorar y estandarizar las prácticas es una de las mejores maneras de garantizar un entorno de trabajo seguro y predecible".

Un panel de seguridad se encuentra al frente y al centro del vestíbulo de la sede de la empresa, para recordar tanto a los visitantes como a los empleados la importancia de la seguridad. “En el momento en que piensas, 'esto no es peligroso', es cuando te atacan las lesiones”, dice Canino.

Una transformación 5S similar tuvo lugar en la parte trasera de la fábrica, donde los trabajadores instalan baterías, tanques, bombas, componentes electrónicos y otros subconjuntos dentro de los contenedores de envío que se convertirán en almacenes de energía. En el pasado, los subconjuntos simplemente se depositaban cerca de las puertas del muelle, donde había espacio.

“No había ton ni son en cómo se organizaba el área”, recuerda Canino. "Los trabajadores pasaban mucho tiempo buscando cosas".

Después de una buena dosis de grasa, la zona está mucho mejor. "Solo ese ejercicio tomó días del proceso de fabricación", dice Canino.

En algún momento, Canino espera realizar la integración final de los contenedores de envío en una línea de montaje móvil, en lugar de uno por uno en los muelles de carga en la parte trasera de la fábrica. Pero por ahora está satisfecho con el progreso de la empresa.

“Si pudieras ver una foto del antes y el después, la transformación sería asombrosa. Nuestros trabajadores se sienten mucho mejor. Tienen ánimo en sus pasos”, dice.

Un láser suelda piezas metálicas para una batería. Foto cortesía de ESS Inc.

Inicialmente, ESS ensamblaba los productos manualmente. A medida que crecieron los volúmenes, implementó una línea de montaje semiautomática. Los trabajadores ensamblaron manualmente las pilas de materiales que formaban los electrodos positivo y negativo de la batería. Luego, esas pilas se entregarían a robots para garantizar que el sellado entre todas las capas se realice con gran precisión. Incluso en la línea semiautomática, se utiliza software de control para reducir el tiempo de inactividad y mejorar la utilización de equipos clave.

En diciembre de 2022, la empresa pulsó el botón de inicio de una nueva línea de montaje totalmente automatizada. Los robots ahora garantizan que los electrodos estén colocados con precisión en cada módulo. Los láseres sueldan piezas clave de forma rápida y precisa. Sistemas de visión, cada pieza está en su lugar. Al final de la línea, las pilas de baterías completas se someten a pruebas térmicas y de presión.

"Es un proceso de fabricación mucho más eficiente y que requiere mucho menos mano de obra", afirma Dresselhuys. “El atornillado, la dispensación, la soldadura, las pruebas de presión... todo se realiza en línea. Esto ha tenido un impacto dramático, mejorando nuestra productividad laboral tres veces y garantizando que obtengamos una gran calidad al final de la línea”.

"A medida que desarrollábamos la automatización, también mejorábamos el diseño de nuestros productos", añade Canino. "Pero eso es natural con una tecnología emergente como esta".

Gracias a la automatización, ESS construyó más unidades en el cuarto trimestre de 2022 que en todo el año anterior. La empresa ahora puede producir más de 800 MWh de almacenamiento de energía al año.

La automatización ha mejorado la productividad en ESS por un factor de tres. Foto cortesía de ESS Inc.

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