Aspectos sobre la seguridad de las baterías de Li-ion utilizadas en Sistemas de Alimentación Ininterrumpida para Centros de Datos

Se ha empezado a sustituir las baterías de plomo-ácido (VRLA) por baterías de Li-ion en los sistemas de baterías de alimentación ininterrumpida de misión crítica, como centros de datos, refinerías y plantas químicas. Las baterías de Li-ion, también conocidas como litio secundario o recargable, ofrecen muchas ventajas bien conocidas, frente a las baterías tradicionales de plomo-ácido. Por ejemplo, la fiabilidad, tamaño y peso, además de algunas menos conocidas, como es un menor mantenimiento, un sistema de climatización y ventilación HVAC más reducido, y acceso a la información de monitorización de la batería.

Una batería de Li-ion es conjunto de celdas con algunos circuitos de protección y comunicación. La mayoría de las baterías de UPS constan de módulos, que son un grupo de celdas, con algunos circuitos de monitorización. Luego, estos módulos se ensamblan dentro de un bastidor, junto con algunos circuitos de monitorización, circuitos de conmutación y electrónica de comunicación.

A nivel del sistema, normalmente hay componentes adicionales como el módulo de gestión de batería local (BMM), responsable de la seguridad dentro del propio armario de batería individual, e incluye componentes de conmutación de seguridad; un maestro global (MBMM), que en este ejemplo incluye también un PLC (controlador lógico programable), y contactos libres de potencial, y se responsabiliza de comunicarse internamente con todos los armarios conectados entre sí en paralelo, para formar un sistema de batería, así como con el UPS y otras aplicaciones externas, tales como sistemas de información de edificios, para visualizar la información de la batería.

Figura 1: Una batería Flex'ion^TM de reserva montada en un armario o bastidor.

Las baterías, que se van a utilizar para UPS en centros de datos, cumplen un objetivo diametralmente opuesto a las baterías de alta energía utilizadas en aplicaciones BESS (Sistemas de Almacenamiento de la Energía de las Baterías). Esto significa, que se han diseñado de manera diferente, con requisitos diferentes, en función de lo que debe hacer la batería, como objetivo principal.

En un BESS, el objetivo principal de la batería es generar ingresos, convirtiéndolo en un activo muy valioso del que se esperan ganancias. En un UPS, el objetivo principal es garantizar siempre, que los sistemas UPS permanecen en línea el tiempo suficiente para que los sistemas secundarios de respaldo (a menudo generadores diésel), se conecten y proporcionen energía eléctrica hasta que vuelva el suministro eléctrico.

Existen muchas normas y pautas diferentes que rigen la seguridad contra incendios de las baterías instaladas dentro de los edificios.

La mayoría de los BESS se instalan en contenedores exteriores al edificio principal, mientras que la mayoría de las baterías de UPS, tienden a instalarse cerca de la aplicación de misión crítica o cerca del UPS dentro del centro de datos.

Homologar la UL 9540A, teóricamente le permite a la AHJ (Autoridad con Jurisdicción) aprobar contenido de energía ilimitado, y sin límite de espacio. Sin embargo, hay matices que se deben considerar críticamente. ¿Cómo funcionó de bien el producto considerado? ¿En qué etapa o temperatura se produjo la propagación y la fuga térmica? ¿Cuándo ventearon las celdas, y cuándo entraron en fuga térmica? ¿Hubo llamas o un rápido desmontaje de las celdas?

Las celdas a base de óxido, incluso aquellas con un contenido de energía más bajo y, por lo tanto, consideradas como un óxido de menor riesgo, han pasado las pruebas UL 9540A a nivel del sistema, a pesar de la propagación de celda a celda y de módulo a módulo, ardiendo, entrando en fugas térmicas a los pocos segundos de ventilar, experimentar después un desmontaje rápido. Las celdas a base de fosfato de Saft, han pasado la prueba UL 9540A sin propagación de celda a celda, sin llamas y varios minutos entre la ventilación y la fuga térmica (esto permite que los sistemas de detección tengan tiempo suficiente para detectar gases electrolíticos y activar una advertencia).

Un sistema a base de fosfato que no experimenta propagación de una celda a otra producirá una fracción de los gases y calor, si se compara con un sistema a base de óxido que experimenta la propagación de celda a celda y la propagación de módulo a módulo, llamas y desmontaje rápido y, por lo tanto, requiere un sistema de extinción de incendios. Se debería poder instalar un sistema a base de fosfato sin propagación de celda a celda, y sin sistemas de extinción de incendios, incluso dentro de un edificio, un detector de humo debería ser suficiente. Esto hace que un sistema a base de fosfato sea considerablemente más seguro de instalar dentro de los edificios.

Las celdas de óxido en fuga térmica producen significativamente más (> 40%) hidrógeno y gas HF que las celdas de fosfato, por celda. Un sistema que experimenta la propagación de celda a celda es probable que produzca una cantidad de gases de H2 y HF, que resulte exponencialmente superior a un sistema de fosfato que no experimenta propagación de celda a celda (cientos de celdas frente a 1 celda).

Las baterías de Li-ion presentan muchos beneficios para los propietarios y operadores de centros de datos; son más pequeñas, más ligeras, duran más, pueden funcionar a temperaturas más altas y requieren mucho menos mantenimiento. Hay muchos tipos diferentes de baterías de Li-ion, por lo que una selección cuidadosa es de suma importancia.

Los centros de datos contienen una cantidad significativa de equipos y datos electrónicos sensibles. Este equipo es susceptible de sufrir daños por los sistemas de extinción de incendios a base de agua, lo que significa que muchos centros de datos utilizan sistemas de extinción de oxígeno basados en el reemplazo de gas (por ejemplo, nitrógeno o halón).

Los incendios en las baterías de Li-ion a base de óxido metálico, no se pueden extinguir con un sistema de reducción de oxígeno, pero los sistemas a base de fosfato sí. Las baterías de Li-ion basadas en óxido metálico no se deberían, por tanto, situar dentro del edificio principal del centro de datos, en cambio, se deberían situar fuera del edificio, quizás en un container a una distancia segura, que se pueda permitir que se queme por completo.

Si las baterías se deben situar dentro del edificio, entonces usar una batería de Li-ion significa que la mayoría de los sistemas de supresión del fuego basados en la reducción del oxígeno se pueden utilizar in situ, para lo que se debería instalar un sistema adecuado de extracción del aire, si no estuviera ya disponible.

La norma UL 9540, en tanto que no es perfecta, puede ser útil para formular las cuestiones críticas sobre la propagación celda a celda, y módulo a módulo. Prevenir la propagación a la menor oportunidad, dará la mejor solución de Li-ion para un centro de datos u otra aplicación de misión crítica.