Las instalaciones de servicios públicos, industriales, comerciales y gubernamentales están recurriendo cada vez más a los sistemas de almacenamiento de energía de batería en una variedad de tamaños y salidas de energía para obtener energía de respaldo confiable, se espera que el mercado supere los más de US $ 9 mil millones para 2024 con un crecimiento anual compuesto tasa del 34 por ciento.
Dado el crecimiento esperado en este sector, junto con el hecho de que la mayoría de los sistemas de almacenamiento de energía de batería están diseñados mediante la interconexión de una serie de baterías de iones de litio (Li-ion), la industria continúa centrando su atención en medidas diseñadas para todo menos eliminar cualquier potencial de condiciones peligrosas de fugas térmicas.
La fuga térmica se produce cuando el exceso de calor causado por defectos, fallas mecánicas por daños u operación incorrecta del sistema crea una reacción que aumenta aún más la temperatura. Si las protecciones del sistema incorporado o el Sistema de administración de batería (BMS) no lo controlan, este proceso puede continuar aumentando la temperatura y la presión hasta que la celda de la batería se rompa, lo que puede causar incendios en las celdas afectadas y adyacentes.
Afortunadamente, se han desarrollado sistemas de detección temprana que ahora pueden detectar un evento precursor único de fuga térmica, una descarga de gas en la celda de la batería que ocurre hasta 30 minutos antes de una falla en cascada. Esta señal de advertencia temprana distintiva y reconocible permite mitigar el problema o apagar el sistema incluso antes de que pueda comenzar la fuga térmica.
Aunque prácticamente todos los equipos BMS de calidad monitorean la temperatura y otras variables para evitar el escape térmico mediante la activación de protecciones antes de que las temperaturas cambien de manera no planificada, la detección temprana de la liberación de gases proporciona una capa adicional de protección crítica para todo el sistema, las instalaciones e incluso el personal .
“Hay cientos, si no miles de [sistemas de almacenamiento de energía de la batería] ya implementados donde la falla de una sola celda podría resultar en la pérdida del sistema. Por lo tanto, la capacidad de detectar la falla de la célula antes de que genere fugas térmicas, y detenerla, literalmente podría salvar el sistema, la propiedad adyacente y las vidas humanas «, dice Nick Warner, un experto reconocido internacionalmente en seguridad, pruebas y tecnología de almacenamiento de energía. Warner es ingeniero principal y fundador de Warner Energy Storage Solutions, y cofundador de Energy Storage Response Group.
Detección temprana
La detección temprana de fugas térmicas se basa en cuatro etapas secuenciales de falla de la batería de iones de litio, según William Sudah, director de la unidad de negocios Li-Ion Tamer en Xtralis, desarrollador de sensores y monitores de gas. El propietario anterior de Li-ion Tamer Nexceris trabajó con la Marina de los EE. UU. Hace una década para desarrollar una tecnología de detección de gases para BESS de Li-ion que luego se comercializaría en un producto llamado Li-ion Tamer, compatible con todos los Li-ion químicos.
«Una celda de batería de iones de litio comienza a fallar cuando se somete a un factor de abuso como calor, sobretensión, etc.», dice Sudah. “El segundo paso es la liberación de gases. El tercer paso es el humo, y el cuarto paso es el fuego. Pero el humo y el fuego a menudo ocurren casi simultáneamente. Entonces, para cuando se detecta humo, el desbocamiento térmico ya ha comenzado.
La liberación de gases generalmente ocurre debido a la ruptura de un electrolito de la batería de iones de litio, como resultado de la acumulación de presión. Más tarde, la temperatura aumenta, se emite humo y luego se desata un incendio.
Para permitir la detección de descarga de gases en la etapa más temprana de un evento de batería después del abuso inicial, el sistema Li-ion Tamer ofrece un monitor de batería y una red de sensores diseñados específicamente para baterías de iones de litio.
Debido a que el sistema puede detectar la liberación de gases en el rango de concentración de nivel de ppm, puede detectar fallas de células individuales sin contactar las células. Esto permite la acción para evitar el escape térmico y su propagación a las celdas adyacentes tan pronto como una sola celda de batería comienza a fallar.
«La detección temprana podría ayudar a prevenir el escape térmico antes de que comience, particularmente aquellos relacionados con la falla del sistema de control primario activo», dice Warner de Warner Energy Storage Solutions. “Cuando participé en la prueba del sistema Li-ion Tamer, la detección más temprana de falla inminente fue 12 minutos antes de que ocurriera. Para algunos de los modos de falla más comunes, descubrí que ofrece la advertencia más temprana posible de falla inminente y lo considero una técnica de mejores prácticas «.
Cuando se trabaja con proveedores de Nivel 1, es típico tener un BMS bien integrado con suficientes sensores para monitorear adecuadamente varios aspectos del uso de iones de litio, incluido el estado de carga de las células individuales y la temperatura en el sistema. Sin embargo, este puede no ser el caso cuando se trata de proveedores de Nivel 2 o 3 que solo venden baterías y dejan el BMS al contratista de Ingeniería, Adquisiciones, Construcción (EPC).
«Los fabricantes de baterías [en el extremo inferior, en alta mar] generalmente han pasado de monitorear cada grupo de celdas pequeñas a tener un termopar que ejecute un módulo completo, monitoreando docenas de celdas», dice Warner.
«Como resultado, el sistema de gestión de la batería depende completamente de una indicación de voltaje para detectar cualquier problema con las células», agrega. «Pero en muchos casos, el voltaje no es el indicador perfecto de que algo pueda salir mal en la celda».
Incluso en el caso de proveedores calificados de baterías Tier 1, Warner recomienda tener un sistema independiente y redundante como Li-ion Tamer. De la misma manera que los cinturones de seguridad y los airbags combinados pueden reducir el riesgo de lesiones en un accidente automovilístico, este enfoque puede ayudar a un EPC calificado a integrar medidas de seguridad complementarias adicionales en una solución más segura y completa.
Warner señala que la sensibilidad del sistema de detección a la liberación de gases de electrolitos de iones de litio es mucho mayor que los sensores tradicionales para otros tipos de monitoreo de gases.
«La mayoría de los sensores que detectan gases están buscando un gas de hidrocarburo genérico o un nivel genérico de gas, y solo están detectando en una ubicación física», dice Warner. “El valor de un sensor Tamer de iones de litio es que está buscando específicamente el gas que emiten las baterías de iones de litio. Es increíblemente sensible y capaz de detectarlo a niveles mucho más bajos que cualquier otro sensor «.
Otra ventaja de un sistema tan avanzado de iones de litio es que está diseñado para funcionar como una red de sensores, lo que mejora su efectividad en la detección de iones de litio. “Debido a que también permite la implementación de múltiples sensores, es mucho más efectivo para detectar gas a medida que se dispersa a través del contenedor. Entonces, cuando se produce la liberación de gases, se detecta de inmediato y se envía una alarma «.
Según Warner, el sistema específico de iones de litio también es más rentable que los sensores de gas fijos tradicionales.
«Los sensores de gas fijos típicos suelen tener dos o tres instalados y cuestan entre $ 1,500 y $ 4,000 cada uno», dice Warner. “Pero solo miden en cierto punto. Si desea extender eso, necesitaría comprar e instalar de 10 a 20. Luego, necesitaría activar cada uno individualmente para controlar el sistema, lo que aumenta el costo «.
Debido a los beneficios de los BESS de iones de litio, junto con los sistemas de detección de gases residuales específicos de iones de litio, un número creciente de instalaciones los están instalando juntos.
Como ejemplo, Northern Reliability Inc. (NRI) de Waterbury, VT fue seleccionada por el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) con sede en Palo Alto, California, para diseñar y construir dos BESS de microrredes transportables para la Marina de los EE. UU.
El contrato de $ 2 millones de EPRI con el NRI se finalizó en agosto de 2019. El proyecto se financia en parte a través del programa de Carga de Inversión del Programa Eléctrico (EPIC) de la Comisión de Energía de California y la Certificación de Tecnología de Seguridad Ambiental del Departamento de Defensa.
Las microrredes son pequeños sistemas eléctricos que pueden funcionar de forma independiente y junto con la red eléctrica local más grande. Las microrredes se están desplegando cada vez más en instalaciones críticas y no militares, como hospitales, estaciones de bomberos y aeropuertos, para proporcionar energía ininterrumpida durante los cortes de electricidad locales.
La microrred en el proyecto usará energía solar y el BESS, junto con la generación del sitio de la Marina, para proporcionar respaldo de emergencia para la recuperación del apagón, la recuperación ante desastres y la respuesta al clima / tormenta de fuego.
Cada NRI BESS está basado en iones de litio y puede entregar 250kW de potencia bajo demanda. Los dos BESS de microrred se someterán a pruebas en la Base Naval de Port Hueneme en el Condado de Ventura, California. Luego, se someterán a pruebas y uso operativo en un centro de datos de la división Naval Surface Warfare Center-Port Hueneme en el sur de California.
«Para nuestras fuerzas armadas, las microrredes móviles con almacenamiento de energía ofrecen una reserva de energía y energía silenciosa fácilmente disponible para que los tomadores de decisiones militares las utilicen durante las operaciones diarias», dice Jay Bellows, presidente y CEO de NRI. «Esta solución proporciona a los clientes energía confiable, mantiene a nuestras tropas más seguras, permite flexibilidad operativa y proporciona la integración efectiva de los recursos renovables modernos con activos heredados como generadores diesel de respaldo, donde sea necesario».
Según la recomendación de EPRI, NRI integró el sistema de detección de gases residuales aprobado por la Marina en el controlador de supervisión del sistema de la unidad como una solución de seguridad redundante y un sistema de protección / supresión de incendios a bordo.
“Con las baterías de litio instaladas en todo el mundo, mejorar la seguridad siempre es algo que nos tomamos en serio. A pesar de que utilizamos los módulos de batería de la más alta calidad en el mercado hoy en día, siempre tomaremos medidas adicionales para asegurarnos de tener la mayor cantidad de protección posible ”, dice Bellows
Mas información contactar Netly.Salomon@xtralis.com
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