Almacenamiento de energía: Análisis de fallas de celdas a contenedores

El almacenamiento de energía mediante sistemas Battery Energy Storage Systems (BESS) se ha convertido en una infraestructura clave para redes eléctricas, energías renovables y respaldo industrial. Sin embargo, el aumento de la densidad energética en baterías de ion-litio también ha incrementado los riesgos asociados a eventos de thermal runaway propagation (TRP) o propagación de fuga térmica.

En un sistema BESS, una falla puede originarse en una sola celda y escalar hacia módulos, racks y contenedores completos, comprometiendo la seguridad y confiabilidad operacional. Por ello, normas como UL 9540A y NFPA 855 establecen criterios para evaluar propagación térmica, liberación de gases inflamables y estrategias de mitigación en sistemas de almacenamiento energético.

¿Qué es un sistema de almacenamiento de energía en baterías?

Un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) almacena electricidad en módulos de baterías recargables y la suministra cuando una instalación, una microrred o una compañía eléctrica necesita energía. Un BESS completo es más que una batería. Incluye módulos de baterías, un sistema de gestión de baterías (BMS), un sistema de conversión de energía (PCS), un sistema de gestión de energía (EMS), equipos de gestión térmica, controles, carcasas y sistemas de seguridad.

Como complemento de información en el siguiente video cortesía de: The Power Hub, explican cómo la tecnología BESS captura y libera energía, apoyando la red eléctrica, proporcionando energía de respaldo y revolucionando nuestra dependencia de los combustibles fósiles. Descubre los diferentes tipos de BESS y cómo funcionan para estabilizar la red. Explora las ventajas y desventajas, y descubre cómo BESS puede beneficiar a las empresas y contribuir a un futuro sostenible. ¿Listo para aprovechar el potencial de BESS para tu fuente de energía renovable?

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Battery Energy Storage Systems (BESS).

Tipos de almacenamiento de energía: El contexto de los BESS

Para entender el panorama actual, es necesario clasificar las tecnologías de almacenamiento según su naturaleza operativa:

• Mecánico: Centrales hidroeléctricas de bombeo y almacenamiento por aire comprimido (CAES).
• Térmico: Almacenamiento de calor latente o sensible (ej. sales fundidas).
• Químico: Hidrógeno verde y combustibles sintéticos.
• Electroquímico: Aquí destacan las baterías de iones de litio, dominantes en el mercado gracias a su alta eficiencia, vida útil y densidad energética, siendo el núcleo de los sistemas BESS modernos.

Configuración estructural de sistemas de almacenamiento energético BESS

Un sistema BESS industrial está compuesto por una arquitectura modular y jerárquica integrada por celdas, módulos, packs, racks y contenedores. Comprender esta configuración es fundamental para analizar cómo una falla puede iniciarse a nivel electroquímico y propagarse progresivamente a través del sistema. A continuación se detallan los componentes:

1. Celda: La unidad electroquímica básica que almacena la energía.
2. Módulo: Conjunto de celdas conectadas en serie o paralelo para alcanzar un voltaje y capacidad específicos.
3. Paquete: Agrupación de módulos con protecciones físicas y monitorización primaria.
4. Rack: Estructura vertical que sostiene múltiples packs conectados en serie para elevar la tensión del sistema.
5. Contenedor: La solución a nivel de planta que alberga los racks, sistemas de ventilación, extinción de incendios y control ambiental.

Thermal Runaway: De celda a contenedor (TRP)

El mayor riesgo latente en las baterías de iones de litio es la Fuga Térmica (Thermal Runaway). Este fenómeno ocurre cuando una falla interna desencadena una reacción exotérmica descontrolada.

Mecanismo de Falla y Propagación (TRP)

El proceso de Propagación de Fuga Térmica (Thermal Runaway Propagation – TRP) sigue un efecto dominó destructivo:

• Falla en celda: Un defecto de manufactura, daño mecánico, sobrecarga o cortocircuito interno eleva la temperatura local. Al superar el umbral crítico, el separador de la celda se funde, liberando gases inflamables (CO, H_2, CH₄) y calor extremo.
• Escalada al módulo y pack: El calor radiante y la conducción térmica transfieren la energía a las celdas vecinas, provocando que sufran thermal runaway en cadena.
• Catástrofe en el contenedor: Si la propagación no se detiene a tiempo, el volumen de gases inflamables acumulados dentro del contenedor puede alcanzar el límite inferior de explosividad (LFL), resultando en incendios deflagrantes o explosiones destructivas.

Ecosistemas de control: BMS, EMS y PCS

La mitigación de fallas depende de una tríada tecnológica coordinada que supervisa el BESS:

• BMS (Battery Management System): Es la primera línea de defensa. Monitorea variables críticas (voltaje, corriente, temperatura) a nivel de celda y módulo. Si detecta una anomalía (ej. una celda que se calienta inusualmente o un desbalance de voltaje), aísla el pack eléctricamente antes de que inicie la fuga térmica.
• PCS (Power Conversion System): El inversor bidireccional que transforma la corriente (DC a AC y viceversa). Responde a las órdenes del BMS interrumpiendo el flujo de potencia en caso de fallas graves en la red o en el banco de baterías.
• EMS (Energy Management System): El cerebro de software a nivel de planta. Despacha la energía según el mercado o la red, optimizando los perfiles de carga para evitar el estrés térmico prematuro del sistema.

¿Cómo analizar fallas de celda a contenedor BESS?

El análisis de fallas en sistemas BESS requiere una evaluación técnica escalonada que permita identificar cómo un evento iniciado en una celda puede propagarse hacia módulos, racks y contenedores completos. Este proceso combina análisis electroquímico, evaluación térmica, revisión operacional y verificación estructural posterior al incidente.

La primera etapa consiste en identificar el punto de origen de la falla. Para ello, se revisan los registros históricos del sistema BMS con el objetivo de determinar la celda iniciadora, la posible fuente térmica, el evento eléctrico asociado y las condiciones operativas previas al incidente, incluyendo estado de carga, corrientes anormales, sobretemperaturas o desviaciones de voltaje.

Posteriormente, se realiza una reconstrucción térmica del evento para entender cómo ocurrió la propagación. En esta fase se analizan la ruta de transferencia de calor, la velocidad de propagación térmica entre componentes, las zonas de mayor concentración energética y la secuencia de ignición dentro del sistema. Estas evaluaciones suelen apoyarse en simulaciones CFD y modelos termodinámicos para reproducir el comportamiento del sistema durante el evento.

El análisis también debe incluir la caracterización de gases liberados durante la fuga térmica. Dependiendo de la química de la batería, pueden generarse hidrógeno, monóxido de carbono, fluoruro de hidrógeno (HF) y mezclas de hidrocarburos inflamables. La acumulación de estos gases representa uno de los principales riesgos en eventos de thermal runaway propagation (TRP), especialmente en contenedores con ventilación insuficiente.

Otro aspecto crítico corresponde a la revisión de los sistemas de protección y control. Se evalúa el comportamiento del BMS, la respuesta del EMS, la operación del PCS y la activación de los sistemas de supresión o aislamiento. Esta etapa permite determinar si las barreras de protección respondieron dentro de los parámetros de diseño o si existieron fallas de detección, retrasos de respuesta o pérdida de comunicación entre subsistemas.

Finalmente, el análisis post-incidente verifica el nivel de daño estructural y eléctrico del sistema. Se inspecciona la integridad del contenedor, el estado de racks y módulos, los daños en sistemas de potencia y control, así como la posible presencia de contaminación química residual derivada de gases tóxicos, electrolitos vaporizados o residuos de combustión. Esta evaluación es esencial para determinar la viabilidad de recuperación del sistema y establecer medidas correctivas para prevenir futuros eventos.

En el siguiente video se presenta un resumen de cómo una adecuada gestión del sistema de baterías (BMS) puede prevenir el sobrecalentamiento y los cortocircuitos internos mediante prácticas seguras de operación y mantenimiento. Además, muestra cómo extender la vida útil de las baterías y optimizar el rendimiento de los sistemas de almacenamiento de energía al controlar adecuadamente los límites críticos de operación. Fuente: WattsApp with Power.

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¡Prevenir allas en sistemas BESS: Conozca los límites operativos seguros!

Marco normativo y seguridad: UL 9540A y NFPA 855

La industria responde a estos riesgos mediante estándares estrictos de seguridad de las baterías para validar que los contenedores son seguros para su instalación.

¿Qué exige UL 9540A para mitigar la propagación?

La norma UL 9540A es el método de prueba estándar para evaluar la propagación del incendio por fuga térmica en sistemas de almacenamiento de energía. No es una certificación de “aprobado/reprobado”, sino un riguroso test de cuatro niveles:

1. Nivel de celda: Se fuerza la fuga térmica para analizar la temperatura de inicio y la composición de los gases emitidos.
2. Nivel de módulo: Evalúa si la falla se propaga a las celdas adyacentes dentro del mismo módulo.
3. Nivel de rack: Verifica si el diseño del rack evita la propagación vertical u horizontal hacia otros packs.
4. Nivel de contenedor: Analiza el comportamiento del fuego exterior y el riesgo de explosión remanente.
5. Exigencia clave: UL 9540A exige demostrar cuantitativamente que, en caso de fuego o fuga térmica en un rack, los sistemas de ventilación de gases y de supresión de incendios evitan de forma efectiva la propagación catastrófica al resto del contenedor y estructuras adyacentes.

NFPA 855: La Norma de Instalación

Mientras UL 9540A evalúa el equipo, la NFPA 855 regula la instalación segura de estos sistemas. Exige espaciamientos mínimos entre contenedores (típicamente 3 metros), sistemas de control de deflagración, suministro de agua para bomberos y planes de respuesta a emergencias basados, precisamente, en los datos obtenidos de las pruebas UL 9540A.

Conclusiones

Un análisis de fallas efectivo requiere integrar datos operacionales, modelos térmicos y evaluación física posterior al incidente. Después de un evento, se correlacionan registros del BMS, tendencias de temperatura, voltaje y corriente con simulaciones CFD y análisis de los componentes afectados. Identificar la causa raíz, desde defectos internos de celda hasta limitaciones en ventilación o contención térmica, es fundamental para mejorar la seguridad, resiliencia y confiabilidad de los sistemas BESS.

El análisis de fallas de celda a contenedor representa actualmente uno de los mayores desafíos técnicos en la seguridad de sistemas BESS basados en baterías de iones de litio. La propagación térmica, o thermal runaway propagation, puede transformar una falla localizada en un evento de gran escala capaz de comprometer módulos, racks y contenedores completos si no existen barreras térmicas, eléctricas y estructurales adecuadas.

Normas como UL 9540A y NFPA 855 proporcionan el marco técnico para evaluar propagación, diseñar estrategias de mitigación y mejorar la seguridad operacional de instalaciones de almacenamiento energético.

A medida que los sistemas BESS aumenten en capacidad y densidad energética, la integración efectiva entre BMS, EMS, PCS y estrategias avanzadas de contención térmica será determinante para garantizar confiabilidad, resiliencia y seguridad industrial a largo plazo.

Reerencias

1. International Electrotechnical Commission (IEC). (2024). Electrical energy storage (EES) systems – Safety requirements for battery management systems. IEC Standards Publication.
2. Doughty, D., & Roth, E. P. (2012). A general discussion of Li ion battery safety. The Electrochemical Society Interface, 21(2), 37–44.
3. Feng, X., Ouyang, M., Liu, X., Lu, L., Xia, Y., & He, X. (2018). Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review. Energy Storage Materials, 10, 246–267. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.05.013
4. UL Standards. (2023). UL 9540A: Test method for evaluating thermal runaway fire propagation in battery energy storage systems. Underwriters Laboratories.