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La seguridad del sistema de baterías Li-ion del SAI es una cuestión de elección

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Las baterías Li-ion pueden dar un respaldo energético de altas prestaciones en sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) en centros de datos, ahorro de costes y sostenibilidad. Además, son seguras siempre que elija la especificación correcta para esta aplicación. Cuando hay una interrupción en el suministro, las baterías de respaldo mantienen al centro de datos funcionando hasta que el SAI pueda tener una fuente de alimentación alternativa, como un generador diésel.

Para evitar daños graves a la empresa y su reputación, la fiabilidad y el rendimiento de la batería es esencial. Las baterías Li-ion son perfectas para esta función esencial ya que muestra una superioridad sólida sobre las VRLA (baterías de plomo-ácido regulado por válvula).

Un punto importante que cabe destacar ante todo es que el «Li-ion» es un término paraguas para toda una familia de baterías cuya electroquímica varía enormemente. La especificación de la química, el diseño y la configuración más adecuadas es la clave para lograr las características óptimas de la batería en cada aplicación. Para centros de datos, esto incluye maximizar la seguridad.

¿Por qué es mejor el Li-ion?

La tecnología de Li-ion es más fiable y ofrece un rendimiento mucho mayor. Su coste total de propiedad (TCO) es menor, gracias a la combinación de una larga vida útil, un mantenimiento mínimo, una alta eficiencia energética y tolerancia a temperaturas más altas. En comparación, la fiabilidad y la vida útil de las baterías VRLA se reducen drásticamente a temperaturas elevadas, lo que a su vez significa más refrigeración, con un mayor consumo de energía y más emisiones de CO2. La alta densidad energética también permite ahorrar más en bienes e infraestructura. Al ser más pequeños en tamaño y seis veces más ligeros, ocupan menos espacio y requieren menos soporte estructural. Cuando se necesitan, descargan energía rápidamente para satisfacer las necesidades del SAI. Entre cortes, se cargan rápidamente, listos para la próxima emergencia. Dado que sus sistemas electrónicos de supervisión y gestión se integran fácilmente en el edificio, los operadores son plenamente conscientes de su estado y disponibilidad. En todo momento, puede estar seguro de su estado de carga (SOC), y de la vida útil restante, también conocida como estado de salud (SOH). Su electrónica también permite una fácil escalabilidad y optimización para la aplicación, en términos de tensión, potencia y energía.

¿Qué podría ir mal?

Los daños o el mal uso pueden provocar un cortocircuito en una celda de Li-ion, lo que puede provocar una reacción en cadena, conocida como desviación térmica. Esto produce una gran descarga de calor que, si se propaga a las celdas vecinas, puede iniciar su descomposición y liberar gases inflamables calientes. Entre los incidentes de descontrol térmico, que se han reportado ampliamente, se incluye un incendio en el sistema de almacenamiento de energía de baterías de Arizona en 2019, y el escape del presentador de televisión Richard Hammond de un coche en llamas en 2017 durante el rodaje de The Gran Tour para Amazon. Es importante destacar que la especificación de la batería Li-ion en ambos casos era diferente a la recomendada para los centros de datos.

 

¿Qué sustancias químicas son más seguras?

Mientras hablamos de baterías de Li-ion, el término abarca en realidad, a toda una familia de productos químicos con diferentes características, como la vida útil, densidad de energía y potencia, y la capacidad para funcionar en un amplio rango de temperaturas. Estas sustancias químicas se pueden seleccionar e, incluso, mezclar para ajustar el equilibrio de estas propiedades. La capacidad de una batería para gestionar el rendimiento y contener calor, también se ve seriamente influida por su diseño mecánico, eléctrico y electrónico. Hay dos tipos principales de baterías Li-ion, nombradas según su material cátodo: óxidos de metal y fosfato de hierro. Otro grupo, con material de ánodo de titanato, se utiliza en aplicaciones de alta potencia con ciclos frecuentes de carga y descarga, como la tracción ferroviaria o los vehículos de minería subterránea. Los óxidos metálicos, incluidos el óxido de aluminio y níquel-litio-cobalto (NCA), el óxido de cobalto de manganeso y níquel litio (NMC) y el óxido de manganeso de litio (LMO), ofrecen la mayor densidad energética. Son ideales en vehículos eléctricos, por ejemplo, ya que su química es muy activa, pero el inconveniente es que, si se produce un descontrol término, liberan oxígeno. Esto puede alimentar el fuego, potencialmente permitiendo que las temperaturas alcancen los 800 o incluso 1,000⁰C. Y debido a que liberan oxígeno, los sistemas de supresión de incendios con reducción de oxígeno y los agentes extintores avanzados como las fluoroketonas, no son eficaces en esta situación. Fosfatos de hierro, como el fosfato de hierro litio (LFP) y la propia tecnología SLFP (Súper fosfato de hierro y litio) patentada por Saft, son inherentemente mucho más seguros. El oxígeno de sus moléculas de fosfato está fuertemente unido, y no se libera en la combustión. Esto limita las temperaturas potenciales en caso de descontrol térmico, a alrededor de 200 a 250⁰C, haciendo improbable la propagación entre las celdas. La desventaja es una densidad de energía más baja (aproximadamente un 30% menos), y una tensión de celda inferior, si se compara con los óxidos de metal, pero son ideales cuando la seguridad es crítica. También ofrecen una larga vida útil, incluso a temperaturas altas, y una buena capacidad del ciclo de descarga/recarga.

¿Qué certificación de seguridad UL e IEC se aplica?

Las normas internacionales IFC 2018 y NFPA 855 para la seguridad contra incendios en edificios, buscan reducir el riesgo limitando el contenido de energía de las baterías de Li-ion a 20 kWh por sistema, o a 600 kWh por instalación. También exigen un espacio de aire de alrededor de un metro, entre los armarios. Sin embargo, muchos operadores de centros de datos necesitan sistemas más grandes. Se puede obtener la homologación de un contenido de energía ilimitado, sin espacios, al pasar las rigurosas pruebas UL 9540A sobre potencial de fuga térmica. Cuando se han realizado ensayos con algunos sistemas de óxido metálico, se ha notificado en los registros de pruebas UL 9540A, que experimentaran la propagación del calor de celda a celda y módulo a módulo, llamas, fuga térmica e incluso expulsión de pequeños componentes internos de las celdas. Por el contrario, el sistema Flex’ion de Saft, superó los ensayos UL 9540A sin propagación de celda a celda, ni inflamación, en condiciones similares. Durante un incidente, los sistemas basados en fosfato ventilan cantidades mucho más bajas de gases combustibles y otros gases dañinos, y éstos permanecen más fríos, permitiendo una eliminación más fácil y segura por parte de los sistemas de extracción de gas. Para mayor seguridad, el sistema de baterías de Li-ion Flex’ion ha obtenido la certificación UL 1973, ha superado la prueba IEC 62619 y cumple totalmente con la norma IEC 62485-5.

 

¿Qué papel desempeña la gestión de la batería en la seguridad?

Aparte de su electroquímica, existen diferencias físicas entre los sistemas de baterías de Li-ion que afectan a sus propiedades. Cada batería Li-ion consta de una serie de celdas, junto con un circuito eléctrico al sistema de gestión de la batería (BMS), dentro de una carcasa protectora.

El BMS es de vital importancia para optimizar la seguridad, la fiabilidad y el coste total de propiedad

Un buen BMS monitoreará tanto la tensión en cada celda individual como el indicador de su estado de carga, estado de salud y condiciones seguras. Mediante el control de la carga y descarga a nivel de la celda, se nivelan las temperaturas de la batería para maximizar la longevidad, ya que la temperatura está estrechamente relacionada con el envejecimiento de la batería. También debería controlar y gestionar la temperatura de las conexiones de alimentación, que puede ser superior a la temperatura de la celda durante la descarga. Cada armario tiene un módulo de gestión de batería (BMM) para supervisar varios módulos de batería. Sin embargo, durante la escalada, el BMS puede combinar varios BMM en varios armarios para establecer un módulo de gestión de la batería principal (MBMM), que regule todo el sistema.

¿En qué se diferencian las baterías de los SAIs de otras aplicaciones?

Otro punto es que, idealmente, los sistemas de baterías Li-ion utilizados para aplicaciones de un SAI de centros de datos, se deberían concebir específicamente para ese fin. Su objetivo principal es muy diferente al de un sistema de almacenamiento de energía de batería (BESS), por ejemplo. Las baterías BESS son activos generadores de ingresos que se deben proteger, por lo que sus BMS evitarán que se descarguen completamente, un estado del que las baterías de Li-ion no se pueden recuperar. Sin embargo, las baterías de un SAI de un centro de datos están ahí para proteger el negocio, al garantizar la continuidad de la fuente de alimentación. Si es necesario, el BMS permitirá una descarga completa para obtener unos segundos adicionales vitales de alimentación en caso de emergencia, incluso si esto implica sacrificar la batería. No se debe comprometer el respaldo ni la seguridad.

Artículo escrito por Gareth Hackett, experto en tecnología Li-ion de Saft.

 

 

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