Baterías de ION-LITIO

BATERÍAS DE ION – LITIO

Un acercamiento a nuevos riesgos

Durante los últimos veinte años, las crecientes necesidades de energía han acelerado el uso de sistemas de almacenamiento de energía con baterías (en inglés Battery Energy Storage Systems, BESS). Este cambio ha sido impulsado por los beneficios de reducir los picos de la red eléctrica, mejorar la estabilidad de la carga eléctrica y el deseo de independencia energética. La demanda de sistemas de almacenamiento de energía con baterías de ion-Litio proviene de una amplia gama de industrias y usuarios, muchos de los cuales no son conscientes de los riesgos que implica. En efecto, si bien el uso de baterías no es nada nuevo, sí lo es el tamaño, la complejidad, la densidad de energía de los sistemas y la química de las baterías de ion-Litio involucradas. Los riesgos de incendio se ven exacerbados por el hecho de que muchos de los nuevos usuarios de los sistemas con baterías no son especialistas en energía. Anteriormente, estos sistemas solo habían sido utilizados por empresas que tenían un conocimiento profundo de sus usos y peligros potenciales.

Los sistemas de almacenamiento de energía de ion-Litio conllevan nuevos riesgos que no se encontraban en los anteriores sistemas de almacenamiento de energía siendo una de las características más preocupantes en los incendios de este tipo de baterías el hecho que pueden encenderse o reavivarse días o semanas después del momento en que se pensaba que se habían extinguido.

Descripción general

El término batería de ion-Litio se refiere a una batería en la que los materiales del electrodo negativo (es decir, el ánodo) y del electrodo positivo (es decir, el cátodo) sirven como anfitriones para los iones de litio (Li⁺). Los iones de litio se mueven del ánodo al cátodo durante la descarga y se insertan en huecos en la estructura cristalográfica del cátodo. Los iones invierten la dirección durante la carga. Dado que los iones de litio se intercalan en los materiales anfitriones durante la carga o descarga, no hay litio metálico libre dentro de una celda de ion-Litio y, por lo tanto, incluso si una celda se enciende debido al impacto de una llama externa o una falla interna, las técnicas de extinción utilizadas para incendios con metales no son apropiadas para controlar el fuego de celdas de baterías de ion-Litio.

El término ion-Litio es genérico y abarca varias tecnologías diferentes que se pueden dividir en los siguientes tres grupos principales que están actualmente disponibles comercialmente:

Cátodo de óxido metálico de litio con un ánodo de carbono [por ejemplo, aluminato de níquel y cobalto (NCA) y cobaltato de níquel y manganeso (NMC)]
Cátodo de fosfato de litio con ánodo de carbono [por ejemplo, fosfato de hierro y litio (LFP)]
Cátodo de óxido metálico de litio con ánodo de óxido de titanio [por ejemplo, titanato de litio (LTO)]

Riesgos implicados

Las celdas de baterías de ion-Litio están diseñadas con límites operativos específicos que se basan en la química y en el rendimiento de cada celda. Las celdas son sensibles a estos límites y su funcionamiento fuera de ellos puede provocar fallas internas. Un defecto en la fabricación o en el sistema de control de las baterías puede ser la causa de estas fallas así como una sobrecarga (un voltaje demasiado alto), sobredescarga (un voltaje demasiado bajo), sobretemperatura, baja temperatura y sobrecorriente (una carga o descarga demasiado alta).

La falla eventualmente resultará en un cortocircuito interno mientras la celda está en uso, el que puede precipitar la celda a una aceleración térmica (en inglés Thermal Runaway) en la que una celda electroquímica aumenta su temperatura a través del autocalentamiento de manera incontrolable y progresa cuando el calor de la celda se genera a un ritmo más alto del que puede disipar (NFPA 855:3.3.26,2023). Una vez iniciada en una celda, la aceleración térmica puede descontrolarse y extenderse a celdas y módulos adyacentes y, potencialmente, más allá de éstos, dependiendo del nivel de protección implementado y de su eficacia para limitar la propagación.

“Si se permite que la aceleración térmica se propague, puede acumularse una gran cantidad de gas inflamable generándose riesgos de explosión o incendio.”

Esta generación de gas inflamable se debe a que los constituyentes de los electrolitos son, para la mayoría de la celdas, nitrógeno, bióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrógeno e hidrocarburos. La mezcla de estos gases tiene un límite inferior de explosividad del orden del 6 al 10%. Al producirse la rotura de una celda sin ignición, los gases liberados confinados tienen el potencial de producir concentraciones explosivas.

Los sistemas de almacenamiento de energía dañados durante un incidente de emergencia también pueden presentar riesgos potenciales de descarga eléctrica, arco eléctrico además del ya mencionado reencendido minutos o días después del evento inicial. Asimismo, los incendios en celdas de baterías de ion-Litio también pueden ser muy peligrosos para los bomberos y otros socorristas porque, además de los riesgos inmediatos de incendio y electricidad, pueden estar lidiando con humos tóxicos, exposición a materiales peligrosos y problemas de descontaminación de los edificios en los que se encuentra el sistema de almacenamiento de energía.

Estrategias de mitigación

La Fundación de Investigación para la Protección contra Incendio (Fire Protection Research Foundation, National Fire Protection Association EE.UU.) realizó en el 2022 un análisis internacional para definir el panorama de los sistemas de almacenamiento de energía basados en baterías de ión-Litio, sus peligros, sus consecuencias y los factores que deben considerarse para una estrategia integral de protección y mitigación de peligros.

De acuerdo con la Fundación, por lo general, se implementan estrategias de mitigación para evitar que las baterías entren en aceleración térmica, gestionar los subproductos o efectos de la aceleración térmica y generar una refrigeración que frene los efectos en cascada a otras celdas dentro de un bastidor o un módulo compuesto por varios bastidores.

Un desafío que es único en la protección de un sistema de almacenamiento de energía con baterías de ion-Litio consiste en que presenta riesgos de incendio y de explosión simultáneamente. Los diseños de la mayoría de las estrategias de extinción de incendios, como los sistemas de rociadores, asumen que solo ocurre una ignición, siendo que la liberación de gases anteriormente descrita debido a la aceleración térmica puede representar un peligro de explosión. Por lo tanto, las estrategias de mitigación tradicionales se enfrentan a tecnología y diseños en constante evolución, riesgos únicos de aceleración térmica, eventos de duración prolongada, objetivos de protección mal definidos y estrategias de mitigación poco probadas.

Teniendo en cuenta las ventajas y limitaciones de las estrategias disponibles de mitigación, se recomienda una de protección integral, basada en los objetivos de protección que se establezcan y en el nivel aceptable de riesgo, que incluya lo siguiente:

Un análisis de mitigación de riesgos para informar a las partes interesadas sobre los peligros y las estrategias de mitigación aplicables.
Un plan de respuesta a emergencias que incluya la capacitación para los primeros intervinientes y la gestión del impacto ambiental.
Un sistema de protección para el monitoreo continuo de la batería y el estado general del sistema con capacidad para detener la operación del sistema si se detecta una desviación de las valores normales.
Un sistema de detección de gases para activar la operación de medidas de prevención o control de explosiones.
Un sistema de detección de incendios (calor, humo o ambos).
Un sistema de extinción de incendios.
Protección de explosión mediante ventilación.
Respuesta de emergencia por parte del departamento de bomberos.

Implementación de la protección

Más allá de los costos y dificultades técnicas que tenemos en América Latina para cumplir con las recomendaciones anteriores, nos encontramos con un problema de raíz: existe la consolidada creencia que el ingeniero de protección contra incendios (en inglés Fire Engineer) tiene como función principal distribuir los extintores manuales y poco más. El resultado es que el profesional se integra a un proyecto cuando la gran mayoría de los temas de protección ya han sido definidos, entre ellos aquellos relacionados con el sistema de almacenamiento de energía con baterías; encontrando una ubicación del sistema en lugares poco accesibles y la ausencia de protección ante un incendio que se desconoce y cuya descripción y sistemas de extinción no suele ser parte de la provisión.

Para un sistema de almacenamiento de energía con baterías no existe una solución prescriptiva única, por lo que se requiere que los diseñadores del sistema y los ingenieros de protección contra incendios deban conocer las normas aplicables y considerar cuál es la tolerancia al riesgo o pérdida aceptable: ¿Un módulo? ¿Un bastidor? ¿Todo el sistema? Las referidas normas aplicables son relativamente recientes: la primera edición de la NFPA 855 NFPA 855, Standard for the Installation of Stationary Energy Storage es de 2019 y la norma UL 9540 Energy Storage System (ESS) Requirements apareció en el 2014.

La NFPA 855 abarca varias tecnologías de sistemas de almacenamiento de energía y presenta requisitos de detección y extinción para cada una de ellas. Los sistemas de detección deben detectar humo o bien, en ciertos casos, gases liberados por las celdas y la función de extinción se lleva a cabo mediante sistemas de rociadores automáticos, siendo éstos los únicos sistemas que, por su efecto de enfriamiento, pueden controlar la aceleración térmica aún después de haberse logrado la supresión de la llama, lo que puede lograrse con otros sistemas y agentes que no ofrecen el enfriamiento posterior a la extinción.

Pero, no obstante estos requisitos, las partes interesadas deben responder a los interrogantes anteriores, establecer metas y objetivos, y evaluar si tales requisitos de la NFPA 855 son adecuados para cumplir esas metas y objetivos. Cada área y equipo debe revisarse según las metas y objetivos y la NFPA 855. Si el control de peligros no es aceptable, debe entonces desarrollarse una evaluación del riesgo de incendio para garantizar que se cumplan los objetivos y luego regresar al proceso de revisión.

Entre los posibles métodos de protección relacionados con el incendio y adicionales a lo requerido se encuentran:

Los sistemas de ventilación para reducir los efectos de una explosión.
La separación térmica entre bastidores y módulos de bastidores.
La ubicación dentro del edificio del sistema de almacenamiento de energía con baterías.

La UL 9540 contiene una guía similar a la NFPA 855 y el sistema de almacenamiento de energía debe estar listado de acuerdo con ésta, que es la primera norma de seguridad publicada en el mundo dedicada a los sistemas de almacenamiento de energía. Es una norma nacional en los Estados Unidos y Canadá, y está influyendo en los diseños de productos que se implementan en todo el mundo hoy en día.

La UL 9540A, Test Method es un procedimiento de prueba que puede determinar la capacidad de la tecnología de baterías de iones de litio para someterse a pruebas térmicas fuera de control y evaluar los riesgos de incendio y explosión. Los resultados de las pruebas UL 9540A incluyen mediciones de la energía asociada con una liberación de llamas, mediciones de ventilación de gas para determinar la composición y el momento asociado con la aparición de condiciones peligrosas.

A modo de conclusión

El uso de sistemas de almacenamiento de energía con baterías ion-Litio continuará su expansión en la próxima década y si bien el conocimiento sobre los peligros en estos sistemas continúa aumentando, todavía existe una gran cantidad de incógnitas que no se encuentran en los sistemas de almacenamiento de energía que se venían utilizando.

Afortunadamente, se han desarrollado normas como NFPA 855 y UL 9540/9540A para ofrecer orientación sobre cómo abordar los desafíos que plantean estos peligros. Cuando estas normas se usan junto con un proceso de evaluación sólida de riesgos, se pueden crear estrategias de protección confiables.

El desafío más importante es tomar conciencia que no se trata de un sistema más que se instala en un edificio de oficinas o industria, sino de sistemas que requieren análisis específicos para su definición e instalación y en los que la participación de la ingeniería contra incendio resulta imprescindible.

Bibliografía

Sutula, J. – Strategies for Energy Storage Systems,
Hutchison, V. – Landscape of Battery Energy Storage System Hazards and Mitigation Strategies, Fire Protection Research Foundation, 2023.
Dich, B.; Zeng, D. – Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems, FM Global, 2019 (Rev. 2020).
Long, R.; Misera, Amy – Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems, NFPA Research Foundation, 2019.
NFPA 855 – Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems, Edición 2023.
Marrero, J. – NFPA 855, UL 9540 and UL 9540A, International Code Council, 2018.
Boyce, K. – UL9540 Overview: Safety for Energy Storage Systems, 2018.