En el caso de una interrupción del suministro, las baterías de respaldo mantienen el centro de datos en funcionamiento hasta que el UPS cambia a una fuente de energía alternativa, a menudo un generador diésel. La confiabilidad y el rendimiento de la batería son cruciales para evitar daños graves a la empresa y su reputación. Con sus ventajas bien establecidas sobre las baterías de plomo-ácido, los sistemas de baterías de iones de litio tienen sentido en esta función vital.
Li-ion es más confiable y ofrece mayor potencia que las baterías de plomo-ácido. Su costo total de propiedad (TCO) es menor, gracias a una combinación de una vida útil más larga, necesidades mínimas de mantenimiento, alta eficiencia energética y tolerancia a temperaturas más altas. Una menor demanda en los sistemas de refrigeración significa un menor consumo de electricidad y las emisiones de CO2 relacionadas. Además, una mayor potencia y densidad de energía significan que las baterías de iones de litio también son mucho más pequeñas y livianas, lo que ahorra espacio y soporte estructural en los edificios.
'Li-ion' es en realidad un término genérico para toda una familia de baterías cuya electroquímica varía enormemente. Elegir la química y el diseño del sistema de batería adecuados para cada aplicación es la clave para lograr las características óptimas. Para los centros de datos, estos deben incluir la máxima seguridad.
Evitar la fuga termal
Los incidentes de fugas térmicas de alto perfil han creado conciencia sobre los posibles riesgos de seguridad con algunas razas de baterías de iones de litio. Por ejemplo, el escape del presentador de televisión Richard Hammond de un superdeportivo en llamas cuando filmaba para The Grand Tour de Amazon en 2017 y un incendio del sistema de almacenamiento de energía de la batería de Arizona en 2019. Es importante destacar que ambas aplicaciones utilizaron especificaciones de batería de iones de litio diferentes a las recomendadas para los centros de datos.
La fuga térmica ocurre después de un cortocircuito en una celda, causado por daño o mal uso. Se produce una reacción en cadena rápida que produce una gran descarga de calor. Esto puede propagarse a las celdas vecinas, provocando que se descompongan y liberen gases calientes inflamables.
Químicas más y menos seguras
La elección de la electroquímica tiene una gran influencia en factores como la vida útil, la potencia y la densidad de energía, las tolerancias de temperatura y la seguridad. También se pueden mezclar diferentes químicas para ajustar el equilibrio de propiedades.
Las baterías de iones de litio se dividen en dos grupos principales según el material del cátodo: óxidos metálicos y fosfatos de hierro. Otro grupo, que utiliza titanatos como material anódico, está altamente especializado para aplicaciones como la tracción ferroviaria que requieren alta potencia y carga y descarga frecuentes.
Los óxidos metálicos incluyen óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio (NCA), óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC) y óxido de litio y manganeso (LMO). Su alta densidad energética es ideal en vehículos eléctricos, por ejemplo. Sin embargo, en el caso de una fuga térmica, liberan oxígeno que puede alimentar un fuego y las temperaturas pueden superar los 800 o incluso los 1000° C. La liberación de oxígeno hace que los sistemas de extinción de incendios sean ineficaces, ya que se basan en limitar el oxígeno.
En comparación, los fosfatos de hierro, incluido el fosfato de hierro y litio (LFP) y el fosfato de hierro y super litio (SLFP) patentado por Saft, son mucho más seguros. Ofrecen una larga vida útil, incluso a altas temperaturas, y una buena ciclabilidad de descarga / recarga. Los átomos de oxígeno están estrechamente unidos dentro de las moléculas de fosfato y, por lo tanto, no se liberan en los incendios, por lo que las temperaturas fuera de control solo pueden alcanzar alrededor de 200 a 250° C. A su vez, la propagación entre celdas es relativamente poco probable y los sistemas de extinción de incendios funcionan como se esperaba. El inconveniente es que su densidad de energía es aproximadamente un 30 por ciento más baja que la que ofrecen los óxidos metálicos, y el voltaje de su celda también es menor, pero son la mejor opción cuando la seguridad es crítica.
Certificación de seguridad
Muchos operadores de centros de datos aplican las normas internacionales IFC 2018 y NFPA 855 para la seguridad contra incendios en edificios. Bajo estos, el riesgo debe reducirse limitando el contenido de energía de la batería de iones de litio a 20 kWh por sistema o 600 kWh por instalación. También debe haber un espacio de aire de aproximadamente 1 metro entre los gabinetes.
Sin embargo, se puede implementar un contenido de energía ilimitado sin espacios de aire si un sistema de batería ha pasado pruebas rigurosas según la norma UL 9540A que evalúa el potencial de fuga térmica.
Los registros de pruebas de algunos sistemas de óxido metálico bajo UL 9540A han señalado propagación de celda a celda y de módulo a módulo, flama y fuga térmica.
Salvaguardias electrónicas
Dado que la fuga térmica es un problema potencial, evitar el sobrecalentamiento es una función clave del controlador electrónico, conocido como sistema de gestión de la batería (BMS).
Un buen BMS protegerá la seguridad, confiabilidad y TCO de una batería. Debe monitorear y controlar el voltaje de cada celda individual, como indicadores del estado de carga, salud y seguridad. También controlará la carga y descarga de las celdas para lograr una temperatura uniforme en toda la batería, una función que garantiza un rendimiento constante y confiable.
Además de monitorear las celdas, el BMS también debe rastrear la temperatura de los conectores de energía para cada módulo de batería para mantenerlo dentro de límites seguros.
Otro punto es que un sistema de batería de iones de litio utilizado en un SAI de centro de datos debe diseñarse específicamente para ese trabajo. Su propósito principal es muy diferente al de, digamos, un sistema de almacenamiento de energía por batería (BESS) que integra energía renovable. En un BESS, la batería en sí es un activo generador de ingresos que debe protegerse. Por tanto, su BMS intervendrá para evitar daños por descarga excesiva.
En un SAI de centro de datos, la función de la batería es proteger el negocio asegurando la continuidad del suministro de energía. Si es necesario, su BMS permitirá una descarga completa para obtener segundos adicionales de energía para proteger el tiempo de actividad del servidor, incluso si eso significa sacrificar la batería. Tanto en la provisión de respaldo como en la seguridad, no debe haber ningún compromiso.