Quines són les mesures de protecció de seguretat dels BESS?

Quines són les mesures de protecció de seguretat dels BESS?

Un sistema d’emmagatzematge d’energia amb bateries (BESS) empaqueta megawat-hores d’energia en una petita superfície. Quan funciona dins dels paràmetres de disseny, es carrega i descarrega de manera fiable durant anys. Quan una sola cel·la d’un bastidor de centenars entra en runaway tèrmic, la cascada pot destruir tot el contenidor en minuts. L’arquitectura de seguretat d’un BESS correctament dissenyat aborda aquest risc mitjançant quatre capes independents de protecció.

Capa un: Protecció al nivell de cel·la mitjançant el sistema de gestió de bateries

Cada cel·la de litio-ion d’un sistema d’emmagatzematge d’energia (BESS) té una finestra operativa segura definida per la tensió, la temperatura i el corrent. El sistema de gestió de bateries (BMS) monitoritza cada cel·la a intervals inferiors a un segon. Quan la tensió d’una cel·la supera els 4,25 V durant la càrrega —el llindar per sobre del qual augmenten el risc de plaques de liti i de curtcircuits interns—, el BMS ordena al sistema de conversió d’energia que reduïsca o interrompa el corrent de càrrega d’aquella cadena. Quan la temperatura d’una cel·la supera els 60 °C durant la descàrrega, el BMS redueix la potència de la cadena o la desconecta completament.

El BMS controla l’estat de salut comparant la capacitat real amb la capacitat nominal. Una cel·la que ha degradat fins al 70 % de la seva capacitat original genera més calor per cicle de càrrega i descàrrega que una cel·la sana, perquè la seva resistència interna ha augmentat. El BMS identifica les cel·les candidates a substituir abans que es converteixin en un perill tèrmic. Els sistemes moderns d’integradors experimentats utilitzen sensors redundants de tensió i temperatura —dos sensors independents per mòdul de cel·la— de manera que la fallada d’un sol sensor no creï cap zona cega.

Capa dos: gestió tèrmica i contenció

La calor és alhora un símptoma i una causa de fallada. Un contenidor BESS que funciona en un entorn ambiental de 40 °C sense refrigeració activa veurà com la temperatura interna dels bastidors puja 8–12 °C per sobre de la temperatura ambient només a causa del cicle de càrrega i descàrrega. L’operació contínua per sobre dels 35 °C accelera de manera exponencial la degradació de les cel·les —aproximadament duplicant la taxa de degradació per cada augment de 10 °C per sobre del valor nominal. Els sistemes de refrigeració per líquid, que fan circular el refrigerant a través de plaques fredes en contacte directe amb cada mòdul, mantenen la variació de temperatura entre cel·les dins d’un rang de ±2 °C en tot el bastidor. Els sistemes de refrigeració per aire amb convecció forçada són adequats per a instal·lacions de menor densitat, però permeten gradients tèrmics més amplis.

El confinament físic dins de l'armari impedeix que la fallada d'una sola cel·la es propagui. Les plaques divisoris d'acer entre els mòduls absorbeixen i dissipen la calor localitzada. Les barreres ignífugues, amb una resistència mínima de 60 minuts segons la norma IEC 62485-5, separen els armaris de bateries dels equips electrònics de potència, els transformadors i la quadra elèctrica dins del contenidor.

Capa tres: detecció i supressió d'incendis

La descontrol tèrmic allibera una firma aerosol característica —vapor d’electròlit, monòxid de carboni i hidrogen— detectable per sensors especialitzats de gasos fora del sistema, entre 3 i 5 minuts abans que una cel·la expulsi contingut o apareguin flames. La detecció precoç activa tres accions simultànies: la desconexió elèctrica de la cadena afectada, l’activació del sistema de ventilació del contenidor per eliminar els gasos inflamables i l’inici del sistema de supressió.

Els agents de supressió d'incendis basats en aerosols inunden l'interior del contenidor amb partícules a base de potassi que interrompen la reacció en cadena de la combustió al nivell molecular, sense deixar residus que puguin danyar l'electrònica. A diferència dels sistemes de rociadors basats en aigua, els sistemes d'aerosols són eficaces contra incendis de classe B (electròlits líquids) i no creen camins de curt-circuit mitjançant aigua acumulada. La norma NFPA 855 exigeix que les instal·lacions de BESS superiors a 50 kWh estiguin protegides per un sistema automàtic de supressió d'incendis adequat a la química de la bateria.

Capa quatre: Aïllament elèctric i desconnexió de la xarxa

Quan el controlador del sistema d’emmagatzematge d’energia de bateries (BESS) detecta una condició de fallada —tèrmica, elèctrica o estructural—, la primera acció de protecció és sempre l’aïllament elèctric. Els contactors del costat de corrent continu s’obren entre els bastidors de bateries i el sistema de conversió d’energia. Al mateix temps, el commutador de corrent altern al punt de connexió comú amb la xarxa també s’obre, desacoblant tot el BESS tant de la font d’energia (carrega de la xarxa) com de la càrrega. Aquest aïllament galvànic impedeix que el corrent de fallada es propagui i assegura que els primers intervinents que s’acostin al contenidor es trobin només amb l’energia emmagatzemada en procés de descàrrega, i no amb una fallada elèctrica activament alimentada.

Cas: Una instal·lació industrial de BESS resisteix una sobretensió de la xarxa

Una instal·lació de fabricació al Sud-est Asiàtic va instal·lar un sistema d’emmagatzematge d’energia de bateries (BESS) de 2 MWh per a la reducció de pics de demanda i com a font d’alimentació de suport, adquirit a un proveïdor integrat d’equipaments elèctrics de Liaoning, Xina. Durant un esdeveniment imprevist de tancament de la xarxa elèctrica que va generar una sobretensió transitària de 2,7× la tensió nominal, el sistema de gestió de bateries (BMS) va detectar la sobretensió en menys de 4 mil·lisegons i va desconnectar els contactors de corrent continu abans que la sobretensió arribés a les cel·les de la bateria. La línia de producció de l’instal·lació va continuar funcionant amb l’energia del BESS durant 22 minuts mentre la xarxa es restablia. Una inspecció posterior va mostrar l’absència total de danys a les cel·les, cosa que va ser validada pels registres d’estat de salut (state-of-health) del BMS.

Preguntes freqüents

Quin interval de temperatures és segur per a l’operació d’un BESS?

Les cel·les de litzi ferro fosfat (LFP) poden operar de forma segura entre -20 °C i 60 °C durant la descàrrega, i entre 0 °C i 45 °C durant la càrrega. L’operació fora d’aquests intervals accelera la degradació. La gestió tèrmica activa manté les cel·les dins d’una franja òptima de 15–35 °C per assolir la màxima vida útil en cicles.

Com detecta un BMS una possible fallada imminent d’una cel·la?

El BMS controla la caiguda de tensió sota càrrega, les tendències de la resistència interna i la desviació de tensió entre cel·les. Una cel·la la resistència interna de la qual ha augmentat més del 30 % respecte al valor inicial, o la tensió de la qual es desvia més de 100 mV respecte a la mitjana de la cadena, activa una advertència.

Els sistemes d’extinció d’incendis en aerosol són segurs per als BESS?

Sí. Els sistemes en aerosol que utilitzen agents basats en potassi estan específicament validats per a incendis de bateries de ions liti segons els requisits de proves UL 9540A. No deixen cap residu conductor i no generen els riscos elèctrics que introdueixen els sistemes basats en aigua.

Quina és la distància mínima de separació entre contenidors BESS?

La NFPA 855 exigeix una distància mínima de 3 peus (0,9 metres) entre contenidors BESS o entre un contenidor BESS i una estructura ocupada. Les instal·lacions més grans que superin els 250 kWh poden requerir una separació major segons les modificacions locals del codi de prevenció d’incendis.

Amb quina freqüència cal fer proves als sistemes de seguretat dels BESS?

La calibració de la tensió i la temperatura del BMS s’ha de verificar anualment. La funcionalitat del sistema d’extinció d’incendis s’ha de provar semestralment seguint el protocol del fabricant. Es recomana fer proves de capacitat de descàrrega completa al nivell de l’armari cada 2 anys.

Es pot instal·lar de forma segura un BESS en un edifici ocupat?

Sí, amb el confinament i la ventilació adequats segons la IFC 1206 i la NFPA 855. La química LFP és preferible per a les instal·lacions interiors degut a la seva temperatura d’inici més elevada de runaway tèrmic comparada amb la NMC. Proveïdors com el Sinotech Group ofereixen configuracions de BESS específicament dissenyades per a l’instal·lació interior.