Este articulo trata de baterías industriales para aplicaciones de UPS, y no considera aplicaciones de consumo más pequeñas (teléfonos móviles, bicicletas eléctricas), o vehículos eléctricos.

Se ha empezado a sustituir las baterías de plomo-ácido (VRLA e inundadas) por baterías de Li-ion en los sistemas de baterías de alimentación ininterrumpida de misión crítica, como centros de datos, refinerías y plantas químicas. Las baterías de Li-ion, también conocidas como litio secundario o recargable, ofrecen muchas ventajas bien conocidas, frente a las baterías tradicionales de plomo-ácido.

Por ejemplo, la fiabilidad, tamaño y peso, además de algunas menos conocidas, como es un menor mantenimiento, un sistema de climatización y ventilación HVAC más reducido, y acceso a la información de monitorización de la batería.

Se pueden instalar baterías de Li-ion en espacios concebidos para baterías de plomo-ácido, y se pueden diseñar centros de datos de construcción nueva, específicamente para aprovechar el tamaño y menor peso de las baterías de Li-ion. Por otro lado, hay mucha información negativa y alarmista en la prensa, sobre el Li-ion.

Parte de esta información negativa puede generar incertidumbre en los responsables, autoridades competentes, o para los comités encargados de establecer los estándares, lo que puede conducir a que renuncien al Li-ion, a pesar de la multitud de ventajas que ofrece. 

Antecedentes

Hay una falta de comprensión en torno al termino "litio-ion", que de hecho es un "término paraguas", que se utiliza para designar diferentes tipos de baterías, con diferentes propiedades (consulte la Figura 1).

El mundo del Li-ion está regido por acrónimos de tres letras, cada uno de los cuales designa la mezcla química del cátodo principal, o del material activo del ánodo. En el ejemplo se incluyen:

NCA

(utilizados por Panasonic en sus baterías sector automoción y por Saft en baterías a nivel espacial).

NMC

(utilizado por Samsung, SKI, CATL en sus baterías sector automoción y por Saft en aviones militares y coches de carreras de Fórmula 1).

LFP

(utilizado por muchos fabricantes chinos de baterías en autobuses eléctricos y por Saft con su tecnología SLFP patentada, en baterías de respaldo, centro de datos, marinas, movilidad y grado militar 6T).

Cada uno de estos tipos de batería se puede dividir aún más en la composición química exacta, en la construcción mecánica y en los procesos de fabricación, y cada uno de ellos define aspectos importantes de la celda de iones de litio, y se debería entender mejor antes de seguir adelante.

El término óxido metálico se usa indistintamente con óxido metálico para indicar celdas de NCA, NMC, LMO o LCO. El término fosfatos se usa indistintamente con fosfatos de hierro y fosfatos de manganeso para indicar células LFP, SLFP o LMFP.

Composición química

Óxidos de metal

Los óxidos de metal son los más densos en energía de todos los materiales de cátodos de iones de litio e incluyen:

NCA                     Óxido de Litio, Níquel, Cobalto y Aluminio (LiNiCoAlO2)

NMC                    Óxido de Litio, Níquel, Manganeso y Cobalto (LiNiMnCoO2)

LMO                    Óxido de Litio y Manganeso (LiMn2O4)

LCO                     Óxido de Litio y Cobalto (LiCoO2)

También se pueden mezclar porcentajes diferentes de cada material activo para cambiar ligeramente el rendimiento; pero cuando hay ventajas, también hay inconvenientes que se deberían entender. Por ejemplo, NCA tiene una densidad de energía más alta y es la más volátil, pero se puede moderar la volatilidad mezclando una proporción de NMC de menor densidad de energía, y aun así conservar una densidad de energía relativamente alta. LMO se mezcla habitualmente con NMC, ya que LMO es bueno para ofrecer más potencia, y NMC es bueno para la energía, pero LMO no funciona bien en aplicaciones cíclicas o de alta temperatura.

Como indica la nomenclatura del óxido, estos contienen oxígeno. Esto significa que en caso de un cortocircuito interno que produce una fuga térmica, estas celdas pueden desarrollar temperaturas superiores a 800 °C, o incluso 1000 °C (ver más detalles en la Figura 2), y resulta virtualmente imposible extinguir el incendio con el uso de sistemas tradicionales de extinción de incendios con reducción de oxígeno.

Fosfatos de hierro

Los fosfatos de hierro se prefieren generalmente porque ofrecen más seguridad que los óxidos metálicos. Los fosfatos tienen una vida útil muy larga, pueden ofrecer fácilmente una vida útil natural planificada de 20 años, funcionan bien, y se pueden utilizar a temperaturas más altas. Los principales materiales del cátodo son:

LFP                      Fosfato de Hierro (LiFePO4)

SLFP                    Súper Fosfato de Hierro (LiFePO4)

La densidad de energía de los fosfatos es aproximadamente un 30% menor que la de los óxidos metálicos (20% de tensión y 10% de la capacidad de la celda). Esto significa que una batería de fosfato de hierro-litio, que generalmente cuesta menos fabricar que una batería de óxido metálico, seguirá siendo más cara en base al coste simple por unidad de energía [4].

Los fosfatos no contienen oxígeno que pueda liberarse en caso de incendio (el enlace de fosfato es demasiado fuerte) y, por lo tanto, ven temperaturas mucho más bajas, alrededor de 200 a 250°, lo que hace que la propagación de una celda a otra sea significativamente menos probable (véase la Figura 4).

Baterías

Las baterías no son celdas. Una batería de Li-ion es conjunto de celdas con algunos circuitos de protección y comunicación. La mayoría de las baterías de UPS constan de módulos, que son un grupo de celdas, con algunos circuitos de monitorización. Luego, estos módulos se ensamblan dentro de un bastidor, junto con algunos circuitos de monitorización, circuitos de conmutación y electrónica de comunicación.

A nivel del sistema, normalmente hay componentes adicionales como el módulo de gestión de batería local (BMM), responsable de la seguridad dentro del propio armario de batería individual, e incluye componentes de conmutación de seguridad; un maestro global (MBMM), que en este ejemplo incluye también un PLC (controlador lógico programable), y contactos libres de potencial, y se responsabiliza de comunicarse internamente con todos los armarios conectados entre sí en paralelo, para formar un sistema de batería, así como con el UPS y otras aplicaciones externas, tales como sistemas de información de edificios, para visualizar la información de la batería. La Figura 7 presenta algunos detalles de un armario de batería de iones de litio de 480 V. Contiene 11 módulos conectados en serie, así como un sistema de gestión de batería integrado: módulo de gestión de batería (BMM), y el BMM maestro (MBMM).

Figura 7: Una batería Flex'ionTM de reserva poblada montada en un armario o bastidor.

En un BESS, el objetivo principal de la batería es generar ingresos, convirtiéndolo en un activo muy valioso del que se esperan ganancias. En un UPS, el objetivo principal es garantizar siempre, que los sistemas UPS permanecen en línea el tiempo suficiente para que los sistemas secundarios de respaldo (a menudo generadores diésel), se conecten y proporcionen energía eléctrica hasta que vuelva el suministro eléctrico.

BMS

Un buen BMS (sistema de monitoreo de batería) tiene múltiples capas de protección basadas en software (firmware) y hardware (componentes eléctricos de medición y conmutación).

Se debería monitorizar la tensión de todas y cada una de las celdas, ya que reaccionan más rápido que la temperatura, y son un indicador más fiable para la seguridad. En sistemas de alta energía para ESS (Sistema de Almacenamiento de Energía) o aplicaciones automotrices, es común la explotación de celdas en paralelo, esto reduce los costes para el BMS, pero aumenta el riesgo.

La monitorización de la temperatura en las celdas también es importante, ya sea por seguridad o por rendimiento y longevidad. El aumento de la temperatura en la celda, durante la carga o descarga, respecto al punto de partida, también determinará la autonomía (tiempo máximo de descarga), así como la potencia máxima que se puede extraer.

El BMS se debería desarrollar conforme a IEC 61508 (Seguridad funcional de sistemas eléctricos/electrónicos sistemas programables relacionados con la seguridad electrónica), UL 991 (Norma para pruebas de controles relacionados con la seguridad que emplean dispositivos de estado sólido) y UL 1998 (Estándar para software en componentes programables), y tener un SIL (nivel de integridad de seguridad) [7] de al menos 1.

Seguridad contra incendios en edificios

Existen muchas normas y pautas diferentes que rigen la seguridad contra incendios de las baterías instaladas dentro de los edificios. En aras de la claridad, este documento trata principalmente de IFC 2018, cuarta impresión, capítulo 12 [8], y UL 9540A [9].

La mayoría de los BESS se instalan en contenedores exteriores al edificio principal, mientras que la mayoría de las baterías de UPS, tienden a instalarse cerca de la aplicación de misión crítica o cerca del UPS dentro del centro de datos.

Homologar la UL 9540A, teóricamente le permite a la AHJ (Autoridad con Jurisdicción) aprobar contenido de energía ilimitado, y sin límite de espacio. Sin embargo, hay matices que se deben considerar críticamente. ¿Cómo funcionó de bien el producto considerado? ¿En qué etapa o temperatura se produjo la propagación y la fuga térmica? ¿Cuándo ventearon las celdas, y cuándo entraron en fuga térmica? ¿Hubo llamas o un rápido desmontaje de las celdas?

Las celdas a base de óxido, incluso aquellas con un contenido de energía más bajo y, por lo tanto, consideradas como un óxido de menor riesgo, han pasado las pruebas UL 9540A a nivel del sistema, a pesar de la propagación de celda a celda y de módulo a módulo, ardiendo, entrando en fugas térmicas a los pocos segundos de ventilar, experimentar después un desmontaje rápido. Las celdas a base de fosfato de Saft, han pasado la prueba UL 9540A sin propagación de celda a celda, sin llamas y varios minutos entre la ventilación y la fuga térmica (esto permite que los sistemas de detección tengan tiempo suficiente para detectar gases electrolíticos y activar una advertencia).

Un sistema a base de fosfato que no experimenta propagación de una celda a otra producirá una fracción de los gases y calor, si se compara con un sistema a base de óxido que experimenta la propagación de celda a celda y la propagación de módulo a módulo, llamas y desmontaje rápido y, por lo tanto, requiere un sistema de extinción de incendios. Se debería poder instalar un sistema a base de fosfato sin propagación de celda a celda, y sin sistemas de extinción de incendios, incluso dentro de un edificio, un detector de humo debería ser suficiente. Esto hace que un sistema a base de fosfato sea considerablemente más seguro de instalar dentro de los edificios.

Las celdas de óxido en fuga térmica producen significativamente más (> 40%) hidrógeno y gas HF que las celdas de fosfato, por celda. Un sistema que experimenta la propagación de celda a celda es probable que produzca una cantidad de gases de H₂ y HF, que resulte exponencialmente superior a un sistema de fosfato que no experimenta propagación de celda a celda (cientos de celdas frente a 1 celda).

Conclusión

Las baterías de Li-ion presentan muchos beneficios para los propietarios y operadores de centros de datos; son más pequeñas, más ligeras, duran más, pueden funcionar a temperaturas más altas y requieren mucho menos mantenimiento. Hay muchos tipos diferentes de baterías de Li-ion, por lo que una selección cuidadosa es de suma importancia.

Los centros de datos contienen una cantidad significativa de equipos y datos electrónicos sensibles. Este equipo es susceptible de sufrir daños por los sistemas de extinción de incendios a base de agua, lo que significa que muchos centros de datos utilizan sistemas de extinción de oxígeno basados en el reemplazo de gas (por ejemplo, nitrógeno o halón).

Los incendios en las baterías de Li-ion a base de óxido metálico, no se pueden extinguir con un sistema de reducción de oxígeno, pero los sistemas a base de fosfato sí, aunque esto puede no ser necesario debido a la pequeña cantidad de gas producido y las temperaturas más bajas implicadas.

Considerando el contenido total de la energía, equilibrando cuidadosamente una potencia alta, potencia media y un sistema de alta energía comparada con la química, también puede ayudar a reducir el riesgo (fosfato de alta potencia = menos riesgo; óxido de alta energía = riesgo mayor).

Las baterías de Li-ion basadas en óxido metálico no se deberían, por tanto, situar dentro del edificio principal del centro de datos, en cambio, se deberían situar fuera del edificio, quizás en un container a una distancia segura, que se pueda permitir que se queme por completo.

 Si las baterías se deben situar dentro del edificio, entonces usar una batería de Li-ion significa que la mayoría de los sistemas de supresión del fuego basados en la reducción del oxígeno se pueden utilizar in situ, para lo que se debería instalar un sistema adecuado de extracción del aire, si no estuviera ya disponible.

La norma UL 9540, en tanto que no es perfecta, puede ser útil para formular las cuestiones críticas sobre la propagación celda a celda, y módulo a módulo. Prevenir la propagación a la menor oportunidad, dará la mejor solución de Li-ion para un centro de datos u otra aplicación de misión crítica.

Autor: Gareth Hackett (Saft)

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