Los sistemas de almacenamiento de energía con baterías (Battery Energy Storage Systems, BESS) tienen la función de capturar la energía de diferentes fuentes durante las horas de menor consumo, y almacenarla en baterías recargables para su uso posterior en horas de mayor consumo.
Sin embargo, una de las principales razones por las que se combinan los BESS con fuentes de energía renovable es para que las redes eléctricas puedan manejar la naturaleza variable de los parques eólicos y solares. En este sentido, los BESS pueden contribuir a mantener el equilibrio de la frecuencia y del voltaje en el punto de interconexión de estas plantas renovables. Es decir, pueden mitigar el impacto del desequilibrio de la red por fluctuaciones en las condiciones climáticas que afectan la potencia entregada por los aerogeneradores y por los paneles solares.
Existen diferentes soluciones de almacenamiento de energía disponibles en la actualidad, pero las baterías de iones de litio son actualmente la tecnología de elección debido a su rentabilidad y alta eficiencia.
Usualmente, los BESS tienen la flexibilidad de ser conectados directamente a la red eléctrica y también pueden funcionar en modo local cuando la red no está disponible.
Características Constructivas de los BESS
Aproximadamente el 90% de los sistemas BESS actuales son construidos con baterías de iones de litio porque requieren poco mantenimiento y proporcionan altas densidades de energía en pequeñas dimensiones físicas y de peso liviano.
Las baterías de iones de litio contienen un cátodo positivo y un ánodo negativo. Los iones de litio se mueven del ánodo negativo al cátodo positivo durante la descarga y regresan durante la carga. Este mecanismo está sumergido en un electrolito conductor de iones. El electrolito es un disolvente líquido inflamable de baja viscosidad.
Un BESS para plantas renovables consiste en un conjunto de celdas de batería de iones de litio con cantidades que pueden variar entre docenas, cientos o incluso miles de celdas para almacenar energía. Las celdas normalmente se empaquetan en módulos sostenidos en estantes, y los estantes normalmente se almacenan en estructuras de tipo contenedor de transporte.
¿Cuál es el riesgo de incendio con un BESS de iones de litio?
En un Whitepaper de Fireaway Inc. titulado “Fire Suppression in Battery Energy Storage Systems” explican detalladamente los riesgos de incendio con un BESS de iones de litio, y a continuación lo vamos a citar en idioma español.
Cada vez que se introduce una gran cantidad de energía en un espacio reducido, existe el riesgo de que se escape de forma descontrolada. Cuando esto sucede, puede ocasionar incendios e incluso podría resultar en una explosión.
Varios incidentes recientes en grandes instalaciones de BESS demuestran cuán considerables pueden ser los incendios que ocasionan, cuán difíciles son de extinguir y cuán peligrosos pueden ser para los socorristas. Adicionalmente, se deben tomar en cuenta las consecuencias posteriores: los costos directos e indirectos por el fuego, el tiempo de inactividad, la pérdida de productividad y el daño de la imagen de la empresa.
¿Qué causa los incendios en los BESS?
Es importante conocer la forma en que fallan los BESS para poder tomar medidas preventivas a tiempo y evitar un desastre. Las fallas en los BESS ocurren como una cadena de eventos que se dividen en cuatro etapas de fallas, que describiremos a continuación.
Etapa 1: Daño de la Batería
Las baterías se pueden dañar por estrés térmico debido al sobrecalentamiento interno, por calentamiento externo por fuego, o por una fuente de calor intensa. Otra forma de dañarse es por sobrecarga o porque se haya desarrollado un cortocircuito.
Otra de las razones del daño de la batería puede ser porque su contenedor se rompa o se dañe de alguna manera. O, por un problema de fabricación que conduce a un evento de falla térmica o eléctrica.
Etapa 2: Liberación de Gases
Una vez que la batería esté dañada o comprometida, la temperatura interna y la presión de la batería aumentan debido a la acumulación de gases. La integridad del contenedor de la batería falla y los gases se liberan. Estos gases en su mayoría son electrolitos vaporizados que son inflamables o explosivos. La liberación de gases puede ocurrir en un período de tiempo entre dos y treinta minutos antes de la siguiente etapa.
Etapa 3: Producción de Humo
Cuando la batería falla, el voltaje cae a cero y el ánodo y el cátodo se cortocircuitan. Con toda la energía almacenada de la batería fluyendo a través del cortocircuito, la temperatura de la batería aumentará rápidamente a más de 300ºC. Esto hace que se produzca humo desde el interior de la batería. La producción de humo es el primer paso en la fuga térmica y puede volverse combustible.
La fuga térmica es una reacción en cadena en la que la reacción exotérmica de una celda de batería defectuosa sobrecalienta una celda adyacente. La batería adyacente falla de manera similar y sobrecalienta otras baterías, y así sucesivamente.
Etapa 4: Fuego
El fuego puede sobrevenir rápidamente después de la evolución del humo. O el evento de fuga térmica puede continuar durante horas sin que se produzca ninguna llama. Durante este período, se producen grandes cantidades de vapores y gases inflamables en el recinto, creando una atmósfera explosiva.
Sin embargo, en muchos casos se produce una ignición y se desarrolla un incendio dentro del recinto del BESS. Y, a medida que los componentes de la batería son consumidos por el fuego, se acumulan más gases en el recinto aumentando la velocidad de la fuga térmica, evolucionando a un evento devastador y difícil de extinguir.
¿Cómo mitigar los riesgos de incendio en un BESS?
Lo recomendable es implementar sistemas de protección que puedan intervenir en la etapa más temprana de la falla de un BESS. Los siguientes sistemas son los más comunes:
- Sistema de gestión de batería (Battery Management System, BMS).
- Detección de Gases.
- Supresión de Incendios.
A continuación describiremos brevemente cada uno de estos sistemas.
1. Sistema de Gestión de Batería (Battery Management System, BMS)
La función principal de un sistema de gestión de batería (BMS) es evitar que las celdas de la batería se dañen debido a la sobrecarga y la descarga excesiva. También se encarga de monitorear la temperatura de la batería, así como de monitorear la presencia de cortocircuitos y conexiones defectuosas. Adicionalmente, mantiene la carga dentro de las celdas en el rango de rendimiento óptimo.
En este sentido, si el BMS detecta alguna condición anormal, apaga la batería antes de que se convierta en un peligro para la seguridad.
2. Detección de Gases
En caso de que el BMS se dañe o tenga un desperfecto de fabricación, la batería puede volverse inestable y comenzar a fallar. Por lo que se recomienda integrar un sistema de detección de gases como protección de respaldo para intervenir después de que falle el BMS.
La detección del gas proporciona una notificación mucho más rápida del problema que un detector de humo, calor o llama. El objetivo del sistema de detección de gas es mitigar el problema antes de que se requiera una acción de respuesta del equipo de supresión de incendios.
Cuando el detector de gas detecta la presencia de un gas de escape, procede a tomar acción cortando la energía de las celdas afectadas, activando las alarmas locales y remotas, y activando un sistema de ventilación dentro del recinto BESS para eliminar los gases inflamables y el calor.
3. Supresión de Incendios
La extinción de incendios es la última línea de defensa. Después de la detección de gas, la siguiente oportunidad para la detección de incendios es la producción de humo. En este caso, un detector de humo emite una señal de alarma que activa un sistema de supresión de incendios especial para mitigar la propagación de la fuga térmica de las baterías y extinguir cualquier fuego presente sin dañar los componentes del BESS.
Conclusión
Sabemos que hoy en día existen innumerables retos a nivel mundial para lograr la descarbonización e impulsar que la matriz energética tenga mayor porcentaje de fuentes renovables que de fuentes tradicionales. Sin embargo, es importante tener en cuenta que las nuevas alternativas para mantener la estabilidad del sistema eléctrico, y la continuidad del servicio a pesar de las condiciones climáticas, no operan con las mismas características de los sistemas de energía que estamos acostumbrados a manejar.
Un BESS no se puede proteger con el típico relé numérico que se aplica en las fuentes de energía tradicionales. Del mismo modo que no tiene condiciones de fallas ni remotamente iguales a las condiciones de falla de las subestaciones típicas de la red eléctrica. Una nueva tecnología viene acompañada de nuevas condiciones de falla que debemos conocer a cabalidad para poder prevenirlas antes de que un incidente peligroso cobre pérdidas irrecuperables, como la vida de operadores y de bomberos. Es nuestra responsabilidad como Ingenieros tener en cuenta la matriz de riesgo de todas las alternativas que implementaremos en nuestros proyectos, y promover la inversión en los sistemas de protecciones adecuados para cada tipo de solución tecnológica.
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Referencias Bibliográficas
Fireaway Inc. Whitepaper: Fire Suppression in Battery Energy Storage Systems | Stat-X® (statx.com)