Abstracto
En la última década, la rápida proliferación de sistemas de almacenamiento de energía en baterías de iones de litio (Li-Ion BESS) ha
convertirse en una piedra angular fundamental para cerrar la brecha entre la oferta y la demanda de energía renovable. Sin embargo, la exponencial
El despliegue de estos sistemas ha amplificado los incidentes relacionados con incendios, destacando la necesidad crítica de una protección contra incendios sólida.
diseño de protección y programas integrales de certificación. En primer lugar, este documento proporciona una visión integral
Evaluación del estándar de prueba principal, UL 9540A, para determinar su eficacia en la predicción de fugas térmicas.
eventos de propagación y mitigación de los riesgos de incendio asociados con Li-Ion BESS. A través de un metaanálisis de
Múltiples conjuntos de datos disponibles públicamente y datos UL 9540A, este documento detalla las limitaciones actuales de UL 9540A.
programa de certificación, particularmente su falta de pruebas de incendio a gran escala requeridas, o pruebas de sistemas de extinción o
Sistemas de control de explosiones. Los hallazgos también indican una variabilidad significativa en la liberación de calor y el gas de ventilación.
mediciones basadas en los modos de falla específicos y las metodologías de prueba utilizadas. Del mismo modo, demuestra
que los datos de liberación de calor de las celdas UL 9504A probablemente no se escalan linealmente a incendios a nivel de instalación a gran escala. El papel
concluye con un llamado a protocolos de prueba más completos que consideren la repetibilidad, la metodología y
escalabilidad. El objetivo es mantener el progreso en el desarrollo de un enfoque dinámico y basado en evidencia para abordar los incendios.
Seguridad en Li-Ion BESS, lo que garantiza un despliegue seguro y escalable de energía renovable global de próxima generación.
infraestructura.

 

Introducción
Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) son sistemas electroquímicos que capturan la energía producida para el futuro.
usar. Impulsado por rápidos aumentos en las densidades de energía, el despliegue de estos sistemas ha crecido exponencialmente como un
significa cerrar brechas entre períodos de disponibilidad de energía renovable, realizar recortes de picos de red (carga
durante períodos de baja demanda y descarga durante períodos de máxima demanda), y para proporcionar respaldo de emergencia
poder [1]. En los últimos años, las reducciones de costes impulsadas por el desarrollo de la fabricación de vehículos eléctricos han
impulsó que las baterías de iones de litio (Li-Ion) también se convirtieran en la participación de mercado dominante de BESS a escala de servicios públicos instalada
globalmente. Se espera que las nuevas innovaciones sigan impulsando la participación de mercado a través de mayores avances hacia
baterías más baratas y de mayor densidad energética [2].
Según la Administración de Información Energética (EIA) de los Estados Unidos, la capacidad de baterías a escala comercial planificada y actualmente operativa ascendía a aproximadamente 16 GW a finales de 2023 [3]. Los promotores planean añadir otros 15 GW en
2024 y luego otros 9 GW en 2025, lo que eleva la capacidad total proyectada para finales de 2025 a 40 GW (Figura 1a).
En línea con estas proyecciones, las perspectivas de mercado de Wood Makenzie confirman la trayectoria de crecimiento del sector energético.
sector de almacenamiento, pronosticando un aumento de la capacidad acumulada a 63 GW para 2027 [4], con adiciones anuales en ambos
Los sectores residencial y a escala de red contribuyen a la tendencia alcista (Figura 1b). Los crecientes despliegues de BESS
alcanzar una producción acumulada de 224,8 GWh para 2027 subraya la necesidad crítica de mejorar la seguridad
medidas paralelas al crecimiento del sector. Desafortunadamente, los riesgos de incendio y explosión son inherentemente creados por
almacenamiento de energía química a estas capacidades. Está bien documentado que las fallas de las baterías de iones de litio liberan importantes
cantidades tanto de energía térmica como de gases inflamables. El peligro también aumenta con la capacidad del sistema.
Como era de esperar, a medida que la capacidad total de BESS desplegada aumentó exponencialmente, la tasa de incidentes de incendio de BESS
aumentó en paralelo [5]. Si las tasas de falla relativas permanecen constantes, la industria de protección contra incendios puede razonablemente
Es de esperar que los medios de comunicación, los responsables políticos y el público en general sigan siendo escépticos respecto de esta tecnología verde fundamental.
público.

Panorama regulatorio
A lo largo de los años, se han desarrollado códigos y normas en un intento de seguir el ritmo de las tendencias emergentes.
comprensión de los peligros de la tecnología Li-Ion BESS y nuevos casos de uso. En 2006, el primer conjunto de medidas específicas
Los requisitos para la protección de Li-Ion BESS fueron incluidos en el Código Internacional de Incendios (IFC) por el
Consejo de Código Internacional (ICC). Los códigos ICC y la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) se mantuvieron
prácticamente sin cambios sobre el tema para los ciclos de código de 2012 y 2015 [6]. Desarrollos de códigos y estándares.
relacionados con Li-Ion BESS comenzaron a acelerarse a mediados de la última década a medida que se producían más eventos de pérdidas.
documentado.
En 2016, Underwriters Laboratories (UL) publicó la primera edición de su norma UL 9540, “Estándar para
Sistemas y equipos de almacenamiento de energía”, que detalla un conjunto integral de métodos de construcción y diseño.
requisitos para que BESS obtenga la certificación UL 9540 [7]. En el período previo al ciclo de códigos de 2018, la Ley de Incendios de la CPI
El Comité de Acción creó un grupo de trabajo de “Sistemas de Almacenamiento de Energía” que trabajó para crear un nuevo Capítulo para el
IFC, “Capítulo 12: Sistemas de energía”, que agrupa los requisitos para sistemas de energía de emergencia, energía solar
sistemas de energía fotovoltaica, sistemas de energía de celdas de combustible estacionarias y sistemas de almacenamiento de energía eléctrica.
Las cantidades máximas de energía permitidas para Li-Ion BESS se establecieron por primera vez en 600 kilovatios-hora (kWh) y
solo se puede exceder si se obtiene la aprobación de las autoridades competentes (AHJ) en función del riesgo
Análisis de mitigación (HMA) y pruebas de condiciones de fallas e incendios a gran escala.

En 2018, UL siguió la introducción de UL 9540 con la primera edición de UL 9540A titulada «Método de prueba para
Evaluación de la propagación térmica de incendios desbocados en sistemas de almacenamiento de energía en baterías «. UL 9540A sirve como
El marco de prueba principal de las industrias para pruebas de condiciones de fallas y incendios a gran escala y evaluación del potencial.
riesgos de fuga térmica y propagación de incendios dentro de Li-Ion BESS [8]. Desarrollado para simular fuga térmica.
escenarios bajo condiciones controladas, evalúa el comportamiento de células, módulos, unidades e instalaciones en
orden creciente. UL 9540A especifica los tipos de datos que deben recopilarse durante las pruebas, como
perfiles de temperatura, emisiones de gases y tasas de liberación de calor, todos los cuales son críticos para comprender la
dinámica de posibles incendios BESS a gran escala. También se proporciona un criterio de aprobación-rechazo para UL 9540
Certificación.
En 2020, la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) introdujo NFPA 855, titulada “Estándar para el
Instalación de Sistemas Estacionarios de Almacenamiento de Energía”[9]. Preocupantemente, esta norma permite una amplia libertad para que los ingenieros y las autoridades competentes renuncien o reevalúen los requisitos de distancias de separación, sistemas de supresión y
sistemas de control de explosiones basados únicamente en pruebas a nivel de unidad UL 9540A. Tal marco fue
Posteriormente también fue adoptado por la IFC en 2021 [10].

Según el criterio de aprobación-rechazo descrito en UL 9540A, una sola prueba de propagación a nivel de unidad exitosa es
suficiente para la certificación UL 9540 sin necesidad de una prueba de protección contra incendios y explosión a nivel de instalación
sistemas de control. La certificación a nivel de unidad sigue siendo, con diferencia, el enfoque más común para certificar Li-ion BESS
sistemas. Esto implica preocupantemente que muchos sistemas novedosos de extinción de incendios y control de explosiones nunca se han
han sido probados o demostrados públicamente para su uso.
Como se destaca en secciones adicionales de esta investigación, los datos de propagación, liberación de calor y gases inflamables proporcionados
por UL 9540A generalmente se considera que tienen un alto grado de incertidumbre. Esto se debe principalmente a la falta de
repetibilidad requerida por la metodología de prueba de UL 9540A, pero también muchos otros factores, incluida la subjetividad
de ciertos protocolos de prueba, la incertidumbre inherente a la instrumentación de prueba y los desafíos en la ampliación a nivel de celda
pruebas hasta eventos de falla a gran escala.
Se crean deficiencias adicionales por la confusión directa entre las pruebas a nivel unitario y las “pruebas de incendio a gran escala”.
En el marco actual, la certificación se otorga tras una única demostración de resistencia a la propagación en la unidad.
nivel. En particular, la falta de propagación implica inherentemente que no se ha producido ningún incendio a gran escala. Aunque la unidad fue exitosa
las pruebas de nivel carecen de cualquier demostración o recopilación de datos del comportamiento del fuego a gran escala, UL 9540A equívoca la unidad
pruebas de nivel con pruebas de incendio a «gran escala» en la Sección A2.4.1:
Las pruebas a nivel de unidad corresponden con las pruebas previstas por los códigos contra incendios y los códigos de sistemas de almacenamiento de energía para
evaluar el rendimiento de condiciones de falla y incendio a gran escala de las unidades BESS instaladas en un edificio, sin cita previa
contenedor o estructura similar.

Alternativamente, esta última prueba de nivel de «instalación», destinada a recopilar datos holísticos sobre el comportamiento del fuego.
Los sistemas de seguridad, incluidos los sistemas de supresión y control de explosiones, no son necesarios para la certificación (UL 9540A
Sección 10.1.1). De esta manera, casi todos los sistemas actualmente certificados por UL 9540 han optado por demostrar
Resistencia a la propagación a nivel de unidad en lugar de certificación mediante la demostración exitosa de extinción de incendios.
y sistemas de control de explosiones a nivel de instalación.
Los efectos combinados de la falta de estándares de diseño prescriptivos y un marco de pruebas limitado han llevado a las autoridades competentes
Continuar permitiendo muchos sistemas de supresión de gases a pesar de las advertencias de FM sobre su efectividad limitada.
Global desde 2020 [14]. Se pueden hacer observaciones similares sobre la falta de distancias de separación impuestas
entre grandes agrupaciones de energía incluso después de un evento de propagación a escala de varios megavatios hora (MWh) en 2021[15].
Estos descuidos de ingeniería y las pérdidas resultantes han aumentado el escepticismo hacia esta tecnología. Para
Por esta razón, en 2024, pocas autoridades con jurisdicción consideran las solicitudes de BESS de iones de litio para interiores.
(AHJ). Sin embargo, para cumplir los ambiciosos objetivos de energía renovable de la próxima generación y la práctica
demandas del mercado, esta tecnología deberá implementarse cada vez más cerca de zonas residenciales y
centros comerciales [12]. Este artículo demuestra que una mayor investigación pública sobre incendios a gran escala [11] y
Se necesitan con urgencia metodologías de prueba integrales para informar con confianza el análisis de ingeniería, ganarse la confianza
del público y desarrollar estrategias prescriptivas claras de protección contra incendios que puedan permitir la seguridad y escalabilidad.
Implementación de la tecnología Li-Ion BESS.
Metaanálisis de propagación de fallas de BESS de iones de litio
Se desarrollaron técnicas tradicionales de análisis de riesgos de incendio y explosión para evaluar y comunicar claramente tanto
la gama de posibles consecuencias peligrosas, así como la frecuencia esperada de esas consecuencias.
Dichos análisis suelen emplear matrices de riesgo o árboles de eventos para ilustrar estos riesgos. Debido a la
Debido a la complejidad y las posibles consecuencias de las fallas de Li-Ion BESS, los códigos y estándares relevantes requieren información detallada.
análisis de peligros. Estos métodos avanzados de análisis de peligros incluyen análisis Bowtie, modos y efectos de fallas.
Análisis (FMEA), Análisis de Peligros de Procesos (PHA) y Análisis de Capas de Protección (LOPA). A pesar de requerir
Estos análisis detallados, los eventos de pérdidas históricas han demostrado que las leyes de los grandes números y
La complejidad está superando por completo la capacidad de diseñar contra fallas.
Se pueden esperar fallas de una sola celda dentro de instalaciones BESS a gran escala durante la vida útil de una década de un
sistema y normalmente son eventos manejables. Si la falla de una sola celda libera suficiente energía para inducir la falla
de celdas adyacentes, se crea el riesgo térmico en cascada conocido como propagación. Por lo tanto, la probabilidad de una
La propagación en cascada de célula a célula es, naturalmente, el aspecto más crítico a evaluar. Lo esperado
La frecuencia de este evento afecta drásticamente los riesgos percibidos de incendio y explosión.

La propagación de célula a célula en BESS puede ser causada por una amplia variedad de factores internos y externos, incluida la célula.
Defectos de fabricación, envejecimiento de las celdas, daños por agua, fugas de refrigerante, impactos, errores humanos y problemas eléctricos.
mal funcionamiento.
Se entiende que las fallas de BESS no se reportan en el sector de servicios públicos. La Figura 4 presenta un análisis de una
conjunto de datos limitado de eventos de falla documentados públicamente de Li-Ion BESS de 2011 a 2023 [13], categorizados por su
Estado de listado UL 9540 (Figura 4a) y su capacidad de energía total (Figura 4b). Un pico significativo en 2018 con 16
Las fallas de sistemas no listados en UL 9540 contrastan con un perfil cada vez más diversificado en los años siguientes.
En particular, los datos de 2023 indican una prevalencia igual de fallas en los sistemas cotizados y no cotizados, con una
parte sustancial categorizada como desconocida con datos disponibles públicamente. Este análisis temporal sugiere que UL
La certificación 9540, si bien indica un estándar de seguridad más alto, no resulta en la eliminación completa de
peligros.
De manera similar, el historial de pérdidas presentado en la Figura 4 refleja la comprensión de que las pruebas de propagación UL 9540A
no limita completamente los peores escenarios de falla. La persistencia de fallos en las categorías enumeradas
destaca la necesidad de medidas de seguridad mejoradas más allá de las demostraciones singulares de propagación de UL 9540A.
Al interpretar los resultados de la prueba de propagación UL 9540A, es importante reconocer que los protocolos dan
discreción del laboratorio de pruebas para decidir la ubicación dentro de una unidad para iniciar la fuga térmica. La gran subjetividad también es
inherente a determinar cuánto tiempo aplicar fuentes de calor externas y cuántas celdas forzar a fallar durante un
prueba de propagación suficiente. Un metanálisis en profundidad de los datos de la Figura 5 revela discrepancias constantes
entre el módulo Li-Ion BESS y la propagación descontrolada térmica a nivel de unidad en las pruebas UL 9540A, sin embargo, estos
Las discrepancias no podían atribuirse fácilmente a ninguna variación notable en las características de seguridad.

Tanto las pruebas a nivel de módulo (Figura 5a) como a nivel de unidad (Figura 5b) generalmente incorporaron pruebas de seguridad comparables.
protocolos diseñados para mitigar los riesgos de fuga térmica. Las diferencias en el comportamiento de propagación parecen ser
más atribuible a la ubicación y gravedad de los modos de falla inducidos. Por ejemplo, la Figura 5a muestra
múltiples ID de prueba donde la cantidad de celdas forzadas a fallar durante la propagación a nivel de módulo fue notablemente menor
severo en comparación con el nivel de la unidad, lo que sugiere posibles variaciones en la intensidad de la calefacción externa u otros
métodos de falla.

Debido al historial de pérdidas documentado y a la dependencia de pruebas de propagación singulares, las pruebas UL 9540A por sí solas
probablemente sea insuficiente para ganarse la plena confianza de todas las partes interesadas. Se puede esperar que esto sea especialmente cierto para
instalaciones interiores o aquellas cercanas a ambientes altamente ocupados. Debido a la alta peligrosidad
consecuencia de un evento de fuga térmica que se propaga completamente, es la recomendación de esta investigación para el riesgo
evaluaciones y análisis de peligros para asumir típicamente una falla de propagación a gran escala como plausible en el
décadas de vida útil de estos sistemas.
En particular, la inclusión de este simple supuesto también elimina la necesidad de que muchos de los complejos y
modelos extensos de evaluación de riesgos que actualmente son una práctica estándar en la industria. Esta suposición
Además, proporciona una base clara de diseño para que los ingenieros de protección contra incendios evalúen el BESS propuesto.
instalaciones. Como alternativa, se podrían considerar pruebas robustas voluntarias para complementar las brechas en el sistema actual.
Marco de pruebas UL 9540A para aquellos fabricantes de equipos originales (OEM) que mantienen un alto grado de
confianza en su resistencia inherente a la propagación de célula a célula.
Metanálisis de calorimetría celular y escalabilidad del riesgo de incendio
A menudo se pasan por alto en la fase de diseño conceptual los altos criterios de desempeño de seguridad establecidos por el edificio.
códigos para el análisis de mitigación de riesgos de la batería. Los códigos nacionales e internacionales exigen evaluaciones de riesgos para
considere el potencial de falla de los sistemas activos de protección contra incendios [3][8]. Si bien tal estándar de atención puede parecer
poco práctico, las tasas de falla de los sistemas activos de protección contra incendios están bien documentadas, con múltiples fallas
ya se ha documentado en el historial de pérdidas de Li-Ion BESS [1]. Además, estudios recientes han demostrado que
Hasta el 26% de los sistemas de detección y extinción de incendios BESS instalados tuvieron problemas de calidad importantes cuando
inspeccionado profesionalmente [24].
En 2018, FM Global y NFPA publicaron su primer y único estudio sobre los posibles tamaños de incendio de Li-ion ESS.
fallas, así como la eficacia de la protección por rociadores [16]. La investigación llevó a cabo dos estudios gratuitos a nivel de unidad a gran escala.
se quema y descubrió que una sola unidad de 125 kWh podría producir aproximadamente un incendio de 10 MW. También encontró que un
La densidad de rociadores de 0,3 galones por minuto por pie cuadrado (gpm/sqft) no pudo extinguir el incendio, ni
¿Se esperaría que detuviera la propagación a unidades adyacentes dentro de un radio de 3 pies?
A raíz de esta investigación, en 2018, la Investigación y Aplicaciones de Supresión, Detección y Señalización
(SUPDET) planteó un desafío de diseño para proteger una instalación interior de baterías de iones de litio de 1,6 MWh para el
los principales expertos de la industria [17]. Los resultados incluyeron predicciones de una tasa máxima de liberación de calor para incendios de 36 MW y
recomendaciones para enfoques avanzados de supresión basados en agua. A pesar de las investigaciones no concluyentes y de una
A falta de una base común de diseño, se han realizado pocas pruebas adicionales de incendio a gran escala o investigaciones sobre supresión.
publicado por la comunidad de protección contra incendios desde entonces.
Esta metodología de metanálisis de incendios presentada aquí implicó una revisión sistemática de la prueba de calorimetría celular.
informes, conjuntos de datos y literatura relevante sobre la tasa máxima de liberación de calor (PHRR) y el calor total liberado (THR)
para diversas químicas de baterías de iones de litio en diferentes factores de forma de celda al 100% del estado de carga (SOC). Riguroso
Se aplicaron criterios de inclusión para garantizar la confiabilidad de los estudios seleccionados y se utilizaron métodos estadísticos.
empleados para discernir tendencias y patrones. Se excluyeron los datos que mostraban un PHRR o THR de 0, ya que tales valores
sugieren una ausencia de riesgo de incendio en las condiciones probadas o posibles imprecisiones, ninguna de las cuales
contribuir al objetivo de evaluar los riesgos de incendio en LIB ESS. Estas pruebas de calorimetría celular se utilizan comúnmente en
Análisis de peligros BESS para calcular los posibles incendios de baterías a gran escala.

El metanálisis de incendios, que se muestra en la Figura 6, primero cuestiona la idoneidad de las metodologías de prueba predominantes mediante
cuestionando la validez de “0” kW como dato PHRR UL 9540A comúnmente reportado. Se entiende bien que
Durante cualquier fuga térmica, la rápida descarga eléctrica genera calor sustancial y la resultante
Descomposición química exotérmica del electrolito dentro de la celda y, posteriormente, los gases inflamables calientes.
liberado. Ninguna de estas fuentes de calor se refleja en los métodos de medición, que sólo miden la
combustión de oxígeno para estimar las tasas de liberación de calor. Estos métodos de calorimetría son más adecuados para temperaturas medias.
a grandes incendios de combustibles tradicionales y no a una reacción térmica desbocada en una batería de iones de litio.
De manera similar, aunque los gases inflamables ventilados pueden no encenderse durante la fuga térmica en condiciones de prueba,
fuentes externas de ignición eléctrica, modos de falla más severos o el calor resultante de la propagación continua
se consideran posibles fuentes de ignición en el entorno instalado. Como tal, un 0-kW reportado como PHRR
no debe considerarse representativo del potencial de liberación de calor de una celda determinada.

En este metanálisis integral de incendios, los datos de calorimetría celular se examinan más a fondo como un indicador crítico de la
Comportamiento térmico y posibles riesgos de incendio de diversas químicas y factores de forma de baterías de iones de litio. Figura 7
proporciona un análisis comparativo de métricas clave de liberación de calor, que son fundamentales para comprender la
escalabilidad de los riesgos de incendio asociados con Li-Ion BESS. La Figura 7a muestra la tasa máxima de liberación de calor (PHRR)
valores para diferentes químicas celulares y factores de forma, mientras que la Figura 7a detalla la relación de liberación de calor total (THR)
a la energía eléctrica (EE) almacenada, lo que muestra el potencial de liberación de calor en escenarios de fuga térmica.
Estas cifras en conjunto sugieren que tanto la intensidad como la duración de la liberación de calor están influenciadas por la forma celular.
factores, lo que requiere estrategias de seguridad contra incendios diferenciadas que se ajusten con precisión a las características específicas del
tipo de batería en uso. La pronunciada variabilidad en la relación PHRR y THR a EE desafía la utilidad de un solo
punto de datos proporcionado por UL 9540A, lo que subraya la necesidad de contar con protocolos de seguridad contra incendios dinámicos y escalables que puedan adaptarse al panorama cambiante de Li-Ion BESS. A medida que se amplía el despliegue de estos sistemas
En tamaño y complejidad, los conocimientos proporcionados por estos datos de liberación de calor a gran escala serán esenciales para informar
evaluación del riesgo de incendio, contribuyendo en última instancia a integraciones BESS más seguras.

La Figura 8 subraya el impacto de diferentes metodologías de prueba en la tasa máxima de liberación de calor medida.
(PHRR) para diversas químicas de baterías de iones de litio. La calorimetría del consumo de oxígeno es un método para
determinar la tasa de liberación de calor de los materiales en combustión en función del agotamiento del oxígeno en la combustión
productos. El calorímetro de cono (ConeCal), el elemento de combustión única (SBI) y el calorímetro de Tewarson (Tewarson
Cal) son aparatos de escala media y de mesa que se utilizan para medir las tasas de liberación de calor y
Caracterizar la reacción de objetos y materiales al fuego. Estas metodologías ofrecen una perspectiva sobre la reacción.
comportamiento de las células bajo estrés térmico y entornos de prueba de celda abierta, vinculando el consumo de oxígeno con
la generación de calor de los materiales. Por otro lado, el calorímetro del Vent Sizing Package 2 (VSP2)
La contribución es distinta y se centra en la dinámica de la presión en entornos de prueba de celda cerrada críticos para el diseño.
Sistemas de seguridad en escenarios de fuga térmica.
Sin embargo, la variabilidad en los datos PHRR entre estas metodologías resalta un desafío en la precisión y
previsibilidad de los análisis de peligros. Esta variación enfatiza la necesidad de desarrollar pruebas estandarizadas.
protocolos que pueden predecir de manera confiable el comportamiento térmico de las baterías de iones de litio en aplicaciones del mundo real. Sin
datos PHRR consistentes y precisos, existe el riesgo de subestimar los peligros potenciales, lo que lleva a la seguridad
protocolos que pueden no proteger completamente contra los riesgos térmicos que plantean las tecnologías avanzadas de baterías.
Más importante aún, una comparación de los datos de todas las metodologías de calorimetría celular con los datos de FM Global
La prueba de incendio a gran escala a nivel de unidad de 2018 [18], así como otras pruebas patentadas, sugieren que los datos de la celda no se escalan
linealmente como indicador predictivo del comportamiento del fuego a gran escala. Los datos globales de pruebas de incendio a gran escala de FM informan PHRR en
del orden de 0,2 kW/Wh, mientras que los datos del metanálisis predicen una PHRR en el rango de 0,005 a 1,154 kW/Wh con
casos en los que los valores máximos alcanzaron alrededor de 3 kW/Wh. Por el contrario, la liberación total estimada de calor
(THR) de los datos de pruebas de incendio globales a gran escala de FM es del orden de 25 veces la energía eléctrica, mientras que la celda
metanálisis de nivel THR es solo un promedio de aproximadamente 9 veces la energía eléctrica (EE) almacenada con
casos en los que los valores máximos alcanzaron alrededor de 32 veces el EE almacenado.
Como se señaló, los datos de las celdas actualmente sugieren valores máximos de liberación de calor normalizados mucho más altos en relación con FM Global.
datos a gran escala o resultados internos patentados. Por el contrario, la liberación total de energía parece estar subestimada por
normalizar los datos a nivel de celda. La típica ausencia de pruebas de incendio o pruebas de supresión a gran escala dentro de UL
El marco de certificación 9540, junto con estas conclusiones, plantea preocupaciones sobre la plena aplicación del marco.
caracterizar los posibles riesgos de incendio asociados con las implementaciones de Li-Ion BESS.
Enfoques de metanálisis de gases para los riesgos de explosión
Como se señaló anteriormente, los BESS de iones de litio a gran escala no solo presentan importantes riesgos de incendio, sino que también plantean un riesgo de incendio.
peligro de explosión también. Las características únicas de los eventos de propagación a gran escala y aquellos que resultan en
Los entornos privados de oxígeno crean riesgos de explosión no sólo durante las etapas iniciales de propagación sino también
durante las etapas de descomposición.
El 19 de abril de 2019, un incendio a gran escala de un BESS en contenedores sin ventilación de 1,6 MW en Arizona quedó privado de oxígeno [19]. Los bomberos no eran conscientes de la propensión de que se ventilen gases calientes inflamables en estos
escenarios. Cuando se abrió la puerta del contenedor, el oxígeno fresco permitió rápidamente la combustión rápida de
gases inflamables precalentados, lo que provocó una deflagración que hirió a cuatro bomberos que respondieron.
Con base en estas lecciones, los diseños de control de explosiones utilizan más comúnmente ventilación de escape de emergencia.
enfoques. Sin embargo, sigue habiendo una falta de consenso sobre el tamaño adecuado de dichos sistemas y su capacidad.
realizar dadas exposiciones significativas al fuego y al humo.

El siguiente metanálisis de explosiones resalta nuevamente las limitaciones del marco de pruebas UL 9540A para
recopilar datos relevantes para el diseño de dichos sistemas de control de explosiones. Similar a los datos de liberación de calor,
La incertidumbre en los datos de generación de gas se considera en la dependencia de un solo punto de datos, la subjetividad en caso de falla.
modos, limitaciones de las metodologías de recopilación de datos y problemas de escalabilidad.
La Figura 9 ilustra el pronunciado rango de volúmenes de gas en múltiples conjuntos de datos. La figura claramente
compara los volúmenes totales de generación de gas obtenidos específicamente de las pruebas UL 9540A con sus esperados.
promedios de metanálisis basados en sus químicas celulares específicas y factores de forma, destacando la variabilidad de
los datos y demostrando las preocupaciones con respecto a la confiabilidad predictiva.
Esto nuevamente sugiere que una prueba y un punto de datos singulares pueden no ser un método confiable para predecir a gran escala.
comportamiento. Estos datos resaltan la necesidad de un régimen de pruebas más completo o metaanálisis exhaustivos para mejorar la previsibilidad. Se recomienda este enfoque para integrar múltiples fuentes de datos,
considere los peores escenarios de falla y evalúe los efectos de escala.

La Figura 10 ejemplifica el resultado de dicho metanálisis y muestra una evaluación comparativa de la ventilación promedio.
Volúmenes de gas en relación con la capacidad de energía en diferentes tipos de celdas de batería y químicas. Los datos del metaanálisis predicen emisiones de volumen de gas típicas en el rango de 0,027 a 0,842 L/Wh al 100 % del estado de carga.
(SOC). En particular, el análisis también identificó casos sospechosos en los que las emisiones de gases aumentaron al máximo
como 5 L/Wh. Se espera que la variabilidad en los volúmenes de gas de ventilación surja de diversos factores, incluida la química celular.
y factores de forma. Menos comprendidos son los efectos de varios modos de falla y la instrumentación de prueba.
Según las disecciones celulares posteriores a las pruebas, se entiende que las fugas térmicas celulares que no son lo suficientemente intensas
Por lo general, no convertirá todos los electrolitos líquidos de la celda en forma gaseosa. Se especula que los casos de volúmenes de liberación de gas relativamente bajos informados en condiciones de prueba pueden no ser indicativos de fallas en el peor de los casos y,
por lo tanto, la generación de gas en el peor de los casos. De manera similar, es posible que no se permita el uso estándar del recipiente de 82 L para recolección de gas.
apropiado para celdas de factor de forma más nuevas y más grandes con mayores volúmenes de ventilación.
Intentos similares por parte de la comunidad de protección contra incendios de utilizar metanálisis [20] o gas electrolítico teórico
Las tasas de conversión para formular rangos límite de ventilación de gas generalmente proporcionan aproximaciones del orden de
0,5 L/Wh a 1,5 L/Wh. Sin embargo, no hay suficientes datos a gran escala disponibles para confirmar si los efectos de escala aún deben determinarse.
consideró.

Propiedades fundamentales de propagación y fuego.
La Figura 11 refleja los resultados a pequeña escala y a nivel celular del estudio de metanálisis para fallas de LIB al 100 % de SOC.
El rango significativo de los límites superior e inferior tanto de la liberación de calor como de la generación de gases inflamables
demuestra la necesidad de supuestos de diseño conservadores y técnicas de recopilación de datos más sólidas

CARACTERIZACIÓN A GRAN ESCALA
Además de una evaluación del marco actual de certificación y análisis de peligros de Li-Ion BESS, este documento
Intenta proporcionar información sobre las propiedades fundamentales de los eventos a gran escala. La Figura 12 proporciona estimaciones
Rangos límite para cada una de las tres fases fundamentales de la curva de fuego Li-ion BESS:
1) Crecimiento: la etapa de crecimiento de los incendios de iones de litio, que comienzan con la batería, comienza exclusivamente con la
conversión de energía eléctrica en energía térmica, que calienta la celda. Si bien la magnitud de este calor
La liberación es pequeña en comparación con la liberada en la combustión con llama, es importante porque es el motor de
Propagación de célula a célula en un evento de fuga térmica. Una sola celda puede experimentar un cortocircuito interno que
descarga rápidamente su energía eléctrica almacenada. Esta descarga eléctrica calienta la celda a altas temperaturas.
y se genera calor adicional a partir de la descomposición química exotérmica del electrolito.
Si esta fuga térmica libera la «Energía de Propagación Mínima», las células adyacentes entrarán de manera similar.
escapes térmicos. Como se señaló anteriormente, esta falla en cascada se conoce como propagación y generalmente
acelera hasta que las temperaturas de la superficie alcanzan la temperatura de autoignición de la mezcla de gases inflamables
(aproximadamente 900 °F o 500 °C) [23].
2) Totalmente desarrollado: la combustión de gases inflamables aumenta rápidamente las temperaturas internas del
paquete de baterías, acelerando aún más el fenómeno de propagación. La tasa de crecimiento depende de la célula.
químicas, factores de forma de celda y características geométricas del paquete de baterías. Sin embargo, eventos a gran escala
han mostrado tasas de crecimiento de T cuadrado rápidas y ultrarrápidas una vez que ha comenzado la combustión con llama [24].
Es importante destacar que, alternativamente, es posible que la propagación consuma por completo un paquete de baterías sin siquiera
alcanzar las temperaturas necesarias para la combustión de gases inflamables. Además, las cajas de baterías a menudo
Como era de esperar, se convierten en entornos privados de oxígeno debido a la tasa de humo y gases generados durante
propagación. En cada uno de estos escenarios, las temperaturas internas pueden continuar provocando un descontrol térmico y
continuar acelerando la propagación sin combustión. Como resultado, las concentraciones de gases inflamables dentro
Los recintos pueden exceder los límites superiores de inflamabilidad en esta fase.
3) Decaimiento: a medida que quedan menos células que no han sufrido un descontrol térmico o se extrae suficiente calor
A través de esfuerzos de supresión, el evento térmico comienza su fase de decadencia. Un diferenciador clave en los escenarios de Li-Ion es
la fase de descomposición prolongada, que a menudo se vuelve a encender. Los incendios de iones de litio a gran escala se han producido repetidamente
demostró la capacidad de las baterías para propagarse durante 24 horas después de fases completamente desarrolladas. Fenómenos únicos como la “energía estancada” y el “reencendido” retardado son artefactos del sistema químico y eléctrico.
Orígenes de la fuga térmica.
Es importante que los socorristas sean conscientes de la propensión a retrasar la propagación y la reignición.
de gases inflamables durante la fase de descomposición. Es importante destacar que en ambientes privados de oxígeno, la descomposición
La fase también tiene el potencial de crear atmósferas por encima del límite superior de inflamabilidad (UFL). Estos
Los escenarios representan peligros significativos de «retroceso» para los socorristas a medida que se reintroduce oxígeno en
recintos. La capacidad de mitigar los riesgos de explosión durante la fase de descomposición, después de incendios importantes y
La exposición al humo desafía muchas técnicas tradicionales de control de explosiones NFPA 68 y NFPA 69.
[21][22].

ENERGÍA MÍNIMA DE IGNICIÓN VS ENERGÍA MÍNIMA DE PROPAGACIÓN
Las baterías de iones de litio a menudo desafían los marcos académicos y comerciales tradicionales utilizados para la clasificación de
materiales y/o sistemas constructivos. Si bien las metodologías de metanálisis pueden ser útiles para muchos análisis generalizados
casos de uso, otras aplicaciones requerirán un diseño más detallado. Metodologías refinadas de recopilación de datos para
Puede ser necesario medir nuevas propiedades térmicas para comunicar mejor las propiedades relevantes del material.
La energía mínima de ignición (MIE) se define como la energía más baja requerida para encender un material inflamable en el aire.
u oxígeno. El valor más bajo de la energía mínima de ignición se encuentra en una determinada mezcla óptima, que puede
ser difícil de lograr incluso en condiciones ideales de prueba. Por esta razón, en entornos académicos, el límite inferior del MIE se confirma repitiendo al menos diez (10)
experimentos sucesivos sin que se observara ignición. Esta repetibilidad es fundamental para brindar confianza en
resultados medidos.
Con una repetición similar, se podrían utilizar métodos de calentamiento interno para simular exposiciones térmicas variables hasta que se produzca una
La energía de propagación mínima se puede demostrar consistentemente dentro de un módulo de batería. Estudiado con este rigor,
La resistencia a la propagación de los sistemas de baterías se puede describir y clasificar con mayor precisión.
Por lo tanto, se sugiere explorar la energía mínima de propagación (MPE) como una propiedad fundamental del
Varios conjuntos aislantes pasivos comúnmente utilizados para proteger módulos y celdas de baterías químicas.
Conclusiones y Recomendaciones
El crecimiento exponencial de la adopción de Li-Ion BESS, junto con el aumento de las densidades de energía, presenta características únicas.
oportunidades y riesgos inherentes. A medida que los incidentes de fallas de Li-Ion BESS continúan apareciendo en los titulares de las noticias,
El escepticismo sobre la seguridad de la tecnología ha aumentado. Sin embargo, los intentos de estudiar rigurosamente las posibles exposiciones a incendios a gran escala de fallas de BESS de iones de litio y la eficacia de los sistemas de supresión han tenido resultados limitados.
avance desde 2018. En lugar de ello, se ha confiado en el marco de pruebas limitado de UL 9540A como base
medio principal para que ingenieros y autoridades evalúen los peligros de las baterías de iones de litio.
Esta dependencia de UL 9540A, si bien es fundamental, se ha destacado en este metanálisis para exhibir características críticas.
limitaciones, particularmente en su capacidad para predecir y mitigar con precisión los riesgos de incendio y explosión inherentes a las implementaciones de LiIon BESS. Los hallazgos clave de este análisis integral se pueden resumir de la siguiente manera:
Variabilidad en los datos de propagación, incendios y gases: existe una variabilidad significativa en los resultados de UL 9540A.
pruebas y datos de investigación, particularmente en relación con las tasas máximas de liberación de calor (PHRR), el calor total liberado (THR) y
volúmenes de gas de ventilación. Esta variabilidad está influenciada por modos de falla específicos, metodologías de prueba y celdas.
químicas, lo que indica que los estándares actuales pueden no predecir o mitigar consistentemente incendios BESS en el mundo real.
comportamientos. Este documento revela una necesidad urgente de enfoques más rigurosos para la certificación o normas prescriptivas claras.
prácticas. Los hallazgos también subrayan un imperativo similar para las pruebas sólidas del sistema de supresión y
validación.
Inadecuaciones de los estándares de prueba actuales: el estándar UL 9540A actualmente carece de mandatos para requisitos esenciales.
pruebas de incendio a gran escala y no requiere la evaluación de los sistemas de extinción de incendios y control de explosiones en su
proceso de certificación. Esta brecha en los criterios de prueba plantea preocupaciones sobre la exhaustividad y
su capacidad para garantizar plenamente la seguridad de las instalaciones Li-Ion BESS. Esta investigación sugiere que la escalabilidad de los datos de liberación de calor a nivel de celda para predecir el comportamiento del fuego a gran escala no es lineal, lo que plantea desafíos al riesgo de incendio actual.
metodologías de evaluación y requiere una reevaluación de los protocolos de prueba.
A la luz de estos hallazgos, este artículo aboga por un giro hacia una estrategia más anticipatoria y prescriptiva.
marco de seguridad Li-Ion BESS. Un marco de este tipo no sólo debería responder a incidentes pasados sino también
integrar proactivamente datos emergentes y tendencias tecnológicas. Para apoyar este cambio y prepararnos adecuadamente para
Teniendo en cuenta el ritmo previsto de adopción de esta tecnología, proponemos las siguientes recomendaciones:
Desarrollo de un repositorio público para datos de pruebas de incendio a gran escala: existe una necesidad urgente de colaboración
Iniciativas de investigación destinadas a compilar un repositorio público completo de incendios y supresión a gran escala.
datos de prueba. Este repositorio serviría como un recurso valioso para informar estándares de diseño prescriptivos claros.
y protocolos de seguridad.

Mejora continua e intercambio de conocimientos: Fomentar una cultura de mejora continua y
El intercambio abierto de conocimientos entre investigadores, fabricantes y profesionales de la seguridad contra incendios es fundamental. Por
Al fomentar el diálogo y compartir hallazgos, la comunidad puede trabajar junta para garantizar que la implementación de LiIon BESS esté optimizada tanto para el rendimiento como para la seguridad.
Iniciativas de investigación colaborativa: Solicitamos una mayor inversión en esfuerzos de investigación colaborativa para explorar
y validar diseños robustos de propagación, sistemas de supresión y control de explosiones con un refinado
comprensión de la dinámica del fuego BESS. Esta investigación es esencial para informar futuras actualizaciones sobre seguridad.
normas y lineamientos regulatorios.
Al implementar estas recomendaciones, podemos mejorar la seguridad y la escalabilidad de la implementación de Li-Ion.
BESS, no solo optimizado para el rendimiento sino también armonizado con las expectativas de las comunidades que
servir, salvaguardando así el avance colectivo hacia un futuro energético sostenible.

Referencias

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Fuente: Amazon AWS