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Mar 20, 2023

Supresión de incendios en sistemas de almacenamiento de energía de batería

Cada vez que se introduce una gran cantidad de energía en un espacio reducido, se produce un

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, el fuego es un resultado común y las explosiones son posibles.

Artículo de | Supresión de incendios en aerosol condensado Stat-X®

Un sistema de almacenamiento de energía de batería (BESS) está bien definido por su nombre. Es un medio para almacenar electricidad en un sistema de baterías para su uso posterior. Como sistema, los BESS suelen ser un conjunto de módulos de batería y equipos de gestión de carga. Las instalaciones de BESS pueden variar desde sistemas de tamaño residencial hasta grandes matrices de contenedores BESS que soportan un parque eólico de grado de servicios públicos o servicios de red.

Los BESS se instalan para una variedad de propósitos. Una aplicación popular es el almacenamiento del exceso de producción de energía a partir de fuentes de energía renovables. Durante los períodos de baja producción de energía renovable, la energía almacenada en el BESS se puede poner en línea.

Dos tipos comunes de BESS son las baterías de plomo-ácido y las baterías de iones de litio. Ambos sirven esencialmente para el mismo propósito. Sin embargo, aproximadamente el 90 % de los sistemas BESS actuales son de la variedad de iones de litio. Las baterías de iones de litio se adoptan tan bien porque proporcionan una alta densidad de energía en un paquete pequeño y liviano y requieren poco mantenimiento.

Las baterías de iones de litio contienen un cátodo positivo y un ánodo negativo. Los iones de litio se mueven del ánodo negativo al ánodo positivo durante la descarga y regresan al cargar. Este mecanismo está sumergido en un electrolito conductor de iones. El electrolito es un disolvente líquido inflamable de baja viscosidad.

Juntas en una carcasa o contenedor, las baterías de iones de litio se denominan "celdas". Un BESS puede contener docenas, cientos o incluso miles de células 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. Obviamente, los modelos residenciales son mucho más pequeños y, a menudo, se instalan en el garaje o el sótano de una casa.

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, el fuego es un resultado común y las explosiones son posibles.

Varios incidentes recientes en grandes instalaciones de BESS demuestran cuán considerables pueden ser los incendios de BESS, cuán difíciles son de extinguir y cuán peligrosos pueden ser para los socorristas.

El Servicio Público de Arizona opera un BESS a gran escala en su sitio de paneles solares en Surprise, Arizona. Se observó humo proveniente de un contenedor BESS de iones de litio. El departamento de bomberos fue llamado y llegó a la escena.

Aproximadamente tres horas después de la llegada, los equipos de bomberos abrieron las puertas del contenedor que aún humeaba. Cuando el aire fresco se mezcló con los vapores inflamables dentro del contenedor, ocurrió una explosión. Cuatro bomberos resultaron heridos.

El proyecto de "gran batería" de 300 MW de Tesla sufrió un incendio catastrófico que ardió durante cuatro días. Supuestamente el incendio BESS más grande del mundo hasta la fecha, el servicio de bomberos local experimentó desafíos significativos en la extinción. Eventualmente enfriaron las estructuras circundantes y permitieron que el fuego se extinguiera.

Un BESS instalado en una granja solar privada se incendió y ardió durante horas. El fuego destruyó 140 baterías, provocó daños estructurales en la planta y quemó siete módulos de generación de energía. No hubo heridos, pero el fuego causó más de $300,000 en daños.

Si bien todos estos incidentes tuvieron grandes pérdidas directas por fuego, en muchos casos los costos indirectos pueden ser mucho más altos. El tiempo de inactividad, la pérdida de productividad y el daño a la imagen de la empresa pueden superar rápidamente la pérdida del equipo dañado.

Para comprender el problema del fuego para los BESS, es importante comprender cómo fallan. Su modo de falla ilustra cómo el fuego (y/o explosión) es el resultado final de un proceso de varios pasos. Comprender este proceso identifica oportunidades en las que se puede introducir una intervención para evitar un desastre.

Hay cuatro etapas o fases de falla de la batería:

Etapa uno: Compromiso de la batería Las baterías pueden dañarse o comprometerse de alguna manera de una de cuatro maneras:

Térmico: estrés térmico por sobrecalentamiento interno o calentamiento externo por fuego o fuente de calor fuerte.

Eléctrico: la batería está sobrecargada o se desarrolla un cortocircuito.

Mecánico: el contenedor de la batería está dañado de alguna manera.

Defecto de fabricación: un problema en la fabricación conduce a un evento de falla térmica o eléctrica.

Etapa dos: Liberación de gases

Una vez que la batería está 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. Los gases son en su mayoría electrolitos vaporizados que son inflamables o explosivos. La liberación de gases puede ocurrir desde tan solo dos minutos hasta casi treinta minutos antes de la siguiente etapa.

Etapa tres: 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 300°C. 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:

Etapa cuatro: 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 y contienen grandes cantidades de vapores y gases inflamables en el recinto, lo que crea una atmósfera explosiva.

En muchos casos, sin embargo, se produce la ignición y se desarrolla un incendio dentro del recinto del BESS. A medida que los componentes de la batería son consumidos por el fuego, los gases, como el dióxido de carbono, el monóxido de carbono, el hidrógeno y los hidrocarburos sin quemar, también pueden acumularse en el recinto. Esto crea una mezcla inflamable que tiene un punto de inflamación colectivo mucho más bajo que los puntos de inflamación de los gases individuales.

El fuego dentro del recinto puede causar o aumentar la velocidad de una fuga térmica, lo que lleva a un evento devastador y difícil de extinguir.

Con cualquier tipo de incidente donde la mitigación sea posible, siempre es mejor intervenir en la etapa más temprana posible. Como se describió en las etapas de falla de la batería, existen oportunidades para tomar medidas tempranas para evitar un resultado desastroso.

Los BESS pueden protegerse mediante los siguientes sistemas:

La intervención más sencilla y temprana es la gestión eficaz de la batería. La función principal de un sistema de administración de batería (BMS) es evitar que las celdas de la batería se dañen debido a la sobrecarga y la descarga excesiva. El BMS también:

Calcula la carga restante en la batería

Monitorea la temperatura de la batería

Monitores de cortocircuitos y conexiones defectuosas

Mantiene la carga dentro de las celdas en el rango de rendimiento óptimo

Si el BMS detecta alguna condición anormal, apaga la batería. Esto protege las células del daño. La mayoría de las personas han sido testigos de esto cuando los teléfonos celulares y las computadoras portátiles mueren repentinamente sin previo aviso. Esto se debe a que el BMS detectó que la carga restante estaba fuera de su umbral operativo y apagó la batería.

Un BMS proporciona dos servicios importantes al usuario final. En primer lugar, prolonga la vida útil de la batería manteniéndola en óptimas condiciones de funcionamiento. Y lo que es más importante, el BMS puede actuar para apagar una batería antes de que llegue a un punto en el que se convierta en un peligro para la seguridad.

En general, los BMS hacen su trabajo extremadamente bien. Sin embargo, si el BMS se daña o hay un defecto de fabricación, la batería puede volverse inestable y comenzar a fallar.

Como se discutió anteriormente, a medida que aumenta la condición inestable de la batería, la temperatura y la presión dentro de la celda comienzan a aumentar a medida que se acumulan los gases inflamables. En algún momento, se abre un respiradero instalado o hay una falla en la carcasa de la batería (por lo general, una bolsa o tipo carcasa) y los gases se escapan.

La investigación se llevó a cabo en celdas de iones de litio donde se probaron hasta fallar. La cromatografía de gases del gas de escape reveló que el componente principal era carbonato de metilo y etilo, que es el electrolito dentro de la celda.

El carbonato de etilo y metilo se considera un líquido inflamable de Clase II. Tiene un punto de inflamación de aproximadamente 80°F. Una vez vaporizado por la reacción exotérmica que ocurre durante la falla, es altamente inflamable.

La liberación de gases puede ocurrir hasta treinta minutos antes de que se produzca humo. La detección de gas ofrece la primera oportunidad de intervenir después de que falla el BMS. La detección de gas proporciona una notificación mucho más rápida del problema que un detector de humo, calor o llama. Con la detección de gas, esta es una oportunidad para mitigar el problema antes de que requiera una acción de respuesta activa del equipo de extinción de incendios.

Cuando el detector de gas alerta de la presencia de un gas de escape, puede activar varias acciones de mitigación. Quizás el más importante es cortar la energía a la(s) celda(s) afectada(s). Además, el equipo de detección de gas puede:

Activar un sistema de ventilación dentro del recinto BESS para eliminar los gases inflamables y el calor.

Activar alarmas locales y remotas

Proporcionar una alerta temprana para que los operadores tomen medidas adicionales

La extinción de incendios es la última línea de defensa. La descarga del agente significa que todas las demás intervenciones han fallado. Sin embargo, la naturaleza en la que fallan las baterías y su propio diseño hacen que la extinción total sea un desafío.

Después de la detección de gas, la siguiente oportunidad para la detección de incendios es la detección de humo. En este caso, un detector de humo emite una alarma y la señal activa un sistema de supresión de incendios que se activa.

Pero como mencionamos y se destacó en la explosión del Servicio Público de Arizona (APS), la fuga térmica que produce humo puede ocurrir y acumularse lentamente durante horas. En el incidente del APS, el sistema de detección de humo funcionó según lo diseñado y activó un sistema de extinción de incendios con agente limpio.

Sin embargo, incluso después de la descarga del agente limpio, continuó la fuga térmica. Durante tres horas antes de que los equipos de bomberos abrieran las puertas del contenedor (iniciando una explosión), se siguieron produciendo grandes cantidades de humo inflamable.

Entonces, ¿qué salió mal en el incidente de APS? Desde la perspectiva del agente de supresión de incendios, el sistema de agente limpio elegido que utiliza un agente de fluorocetona no se diseñó correctamente. El sistema operó y descargó una concentración de agente del 10%.

Según un informe de investigación producido por DNV GL (ahora conocido como DNV), líder internacional en pruebas de baterías, "el agente limpio {fluoroketone} era inadecuado e inapropiado para detener o prevenir la fuga térmica en cascada de múltiples celdas o módulos de batería".

El informe continuó citando al fabricante del agente donde declaró en comentarios a un borrador de la norma NFPA 855 para la instalación de sistemas estacionarios de almacenamiento de energía®: "Los agentes limpios son ineficaces demostrables para prevenir y detener el escape térmico, al igual que la espuma y el químico seco ."

Dado que el agente limpio fue diseñado para extinguir incendios incipientes, no logró detener la fuga térmica no inflamable. Treinta minutos después de la descarga, no había agente en suspensión y el espacio era completamente vulnerable a explosión e incendio. La falta de uso de un sistema de supresión de incendios diseñado adecuadamente, incluida la falta de sellado completo del recinto, lo que permitió el agotamiento temprano de la concentración del agente y la reducción del tiempo de espera, se citó como uno de los principales factores que contribuyeron a la gravedad del incidente.

Dado que los agentes limpios son ineficaces para los incidentes de BESS, ¿qué pasa con el uso de un sistema de rociadores? Los aspersores tradicionales no son una buena opción. La naturaleza confinada de las celdas de la batería evita que el agua llegue al área calentada. Los sistemas de rociadores también requieren un suministro de agua dedicado que puede ser problemático en muchas áreas. Por último, la descarga de agua puede dañar los componentes de BESS y generar preocupaciones ambientales debido a la escorrentía de agua.

Para proporcionar una protección contra incendios superior para los BESS, se requiere un agente especializado. El agente ideal en este caso es uno que:

Limite la propagación de la fuga térmica

Suprimir cualquier fuego presente

Limite el daño a los componentes

No requiere infraestructura significativa

A pesar de la naturaleza difícil de proporcionar estos "imprescindibles", hay un agente que hace exactamente eso. El sistema de extinción de incendios de aerosol condensado Stat-X® es el agente ideal para la extinción de incendios BESS.

Stat-X ha sido probado extensivamente, resultando en la verificación de su desempeño en estas categorías. Primero, Fireaway contrató a DNV, la misma organización que investigó el incidente de APS, para realizar pruebas de Stat-X en incendios de celdas de baterías de iones de litio. Los resultados fueron muy positivos:

Stat-X demostró su eficacia en la extinción de incendios de baterías de iones de litio de una y dos celdas.

El aerosol residual de Stat-X en el aire en el peligro brinda protección extendida adicional contra el resurgimiento del fuego.

Stat-X redujo el oxígeno en un ambiente cerrado durante el incendio de una batería al 18 %.

El tiempo de residencia de los gases y aerosoles durante el despliegue de Stat-X es una función de cuándo se ventila la atmósfera.

En segundo lugar, Fireaway contrató a PVEL, líder en pruebas reglamentarias y de productos de energía renovable, para realizar pruebas a gran escala de conformidad con UL 9540a. Estos resultados también fueron positivos. Durante el período de descarga de Stat-X y el tiempo de retención del agente:

La fuga térmica no se propagó a los bastidores de baterías adyacentes

No se observaron llamas

No se observó un aumento significativo de la temperatura.

No se observó deflagración ni explosión.

El sistema de inundación total Stat-X ofrece la combinación única de limitar la propagación de fugas térmicas al mismo tiempo que suprime y apaga el fuego. Las unidades autónomas se pueden conectar a cualquier tipo de sistema de detección o se pueden especificar para activarse a una temperatura o nivel de concentración de gas predeterminados. Y las unidades compactas y prácticamente libres de mantenimiento no requieren tuberías ni otros requisitos de infraestructura.

También es importante tener en cuenta que los agentes de supresión de incendios en aerosol condensados ​​no tienen propiedades de calentamiento global o agotamiento de la capa de ozono. El agente está calificado para áreas normalmente ocupadas.

Proteger adecuadamente un BESS requiere un sistema completo e integrado. Cada componente tiene su lugar y funciones para brindar protección en capas. Un BESS altamente protegido podría verse así:

Un sistema de gestión de batería bien diseñado y fabricado proporciona supervisión de las funciones y condiciones de funcionamiento de la batería.

Se emplea un sistema de detección de gas para apagar las celdas defectuosas y:

Activar un sistema de ventilación.

Sonido de alarmas locales y remotas

Se instala un sistema de extinción de incendios de aerosol condensado de inundación total y se conecta al sistema de detección de incendios.

Para ayudar en la seguridad de los primeros en responder, lo siguiente puede ayudar a prevenir un incidente como la explosión del APS:

Un rociador de tubería seca de conexión rápida para el departamento de bomberos o un sistema de agua nebulizada para que los equipos de bomberos puedan enfriar el interior del recinto.

Cámaras termográficas para detectar niveles de calor y puntos calientes desde el exterior del recinto.

Foto de Stat-X® cortesía de Fireaway Inc.

Los BESS de iones de litio presentan un claro riesgo de incendio y explosión. Su diseño y modo de falla hacen que muchos agentes y tácticas tradicionales de supresión de incendios sean ineficaces. Para proteger adecuadamente los BESS, se requiere un sistema de protección en capas para evitar que el BESS experimente un evento de fuga térmica grave. Si estas medidas no tienen éxito, se requiere un agente de supresión de incendios como Stat-X para suprimir rápidamente un incendio, limitar la propagación de la fuga térmica y mantener una protección total contra inundaciones para suprimir el reencendido.

La supresión de incendios por aerosol condensado Stat-X® es una solución para aplicaciones de sistemas de almacenamiento de energía (ESS) y sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS). Esto incluye aplicaciones en edificios, en contenedores y en gabinetes. Se probó la eficacia del producto Stat-X para apagar incendios de baterías de iones de litio. Se descubrió que el agente Stat-X extinguió con éxito los incendios de baterías de una y dos celdas. Esta prueba se llevó a cabo en paralelo con un gran programa de prueba de incendios de baterías. DNV GL Energy realizó las pruebas y validó la eficacia del agente en aerosol Stat-X en incendios de baterías de iones de litio a nivel de celda.

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