Qué deben buscar las empresas de servicios públicos y los especificadores de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) en un monitor de hidrógeno.
La monitorización del hidrógeno en sistemas de almacenamiento de baterías de iones de litio es diferente a la monitorización de salas de baterías que la mayoría de los especificadores conocen. Una celda de iones de litio con problemas puede liberar gas rápidamente, y un contenedor BESS de uso general concentra una gran cantidad de energía en un recinto al que nadie accede durante su funcionamiento. Este artículo ayuda a los especificadores a saber qué buscar en un sistema de monitorización de hidrógeno para contenedores BESS de iones de litio.
Esta información es oportuna. A medida que las empresas construyen más centros de datos para dar soporte a la IA, y que las empresas de servicios públicos y los desarrolladores utilizan el crédito fiscal federal para la inversión en almacenamiento de energía (Sección 48E) para fortalecer la resiliencia de la red, el almacenamiento de energía en baterías está creciendo rápidamente. GlobalData pronostica que la capacidad global de almacenamiento de energía en baterías se multiplicará por seis entre 2025 y 2030.
La tecnología de iones de litio es la principal para los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) a gran escala. En comparación con las baterías de plomo-ácido, ofrece una densidad energética mucho mayor y una vida útil hasta 10 veces superior. Las tecnologías más recientes, como las baterías de iones de sodio, de flujo, de zinc-aire y de hierro-aire, también pueden producir hidrógeno, y las analizamos más adelante. Las baterías para sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) de centros de datos constituyen una aplicación relacionada, pero independiente, con diseños, requisitos de mantenimiento y equipos de ingeniería distintos. Las abordamos en una publicación complementaria sobre la monitorización de hidrógeno en baterías UPS de iones de litio.
¿Por qué los sistemas de almacenamiento de energía de iones de litio necesitan monitorización de hidrógeno?
Las baterías de plomo-ácido liberan hidrógeno durante la carga, por lo que su monitorización está diseñada para detectar el gas que se acumula con el tiempo. Las baterías de iones de litio se comportan de forma diferente. No liberan cantidades significativas de gas durante su funcionamiento normal. Solo lo hacen en condiciones anormales, como el sobrecalentamiento, cuando el estrés mecánico, un defecto de fabricación, un mal uso eléctrico o el calor externo provocan la ruptura de la capa protectora SEI (interfase de electrolito sólido) de la batería. Las celdas comienzan a sufrir cortocircuitos internos y se acumula calor. Entonces aparece hidrógeno, junto con monóxido de carbono, dióxido de carbono y otros gases. El hidrógeno puede arder e incluso explotar una vez que alcanza el 4 % de su volumen en el aire.
Los sistemas de gestión de baterías (BMS) monitorizan el voltaje, la corriente y la temperatura, pero no el hidrógeno gaseoso. Por eso, las normas de seguridad abordan directamente el tema de los gases inflamables.
Lo que exigen las normas
El hidrógeno se vuelve inflamable al 4% en volumen, su límite inferior de inflamabilidad (LII). El LII es la concentración más baja de un gas en el aire que puede encenderse; por debajo de este nivel, la mezcla es demasiado pobre para arder. También puede encontrar el término límite inferior de explosividad (LIE). Ambos términos describen el mismo umbral y generalmente se usan indistintamente: las normas NFPA usan LII, mientras que los fabricantes de detectores de gas y las hojas de datos de seguridad suelen usar LIE. Los detectores normalmente muestran las lecturas como un porcentaje del LIE, por lo que una lectura de LIE del 10% para el hidrógeno corresponde a un 0.4% de hidrógeno en volumen. En EE. UU., la norma NFPA 855 exige que se tomen medidas mucho antes de que los niveles de gas se acerquen al LII. La edición de 2026 exige que los sistemas de almacenamiento de energía incluyan control y prevención de explosiones diseñados según la norma NFPA 69, la norma para sistemas de prevención de explosiones. Este requisito puede eximirse si un estudio de riesgo de deflagración muestra que el gas inflamable no puede acumularse por encima del 25% del LII en promedio.
La ventilación por sí sola no resuelve el problema. La norma IEEE 1635/ASHRAE Guideline 21, que regula la ventilación de instalaciones de baterías estacionarias, calcula la generación de hidrógeno para diversas condiciones de funcionamiento: carga flotante, carga de ecualización, sobrecarga del cargador (un fallo del cargador que sobrecarga la batería) y fuga térmica. Cada condición produce una cantidad de gas muy diferente. Muchos centros dimensionan la ventilación únicamente para la carga flotante o de ecualización. Si un cargador falla o una batería sufre una fuga térmica, el hidrógeno puede acumularse más rápido de lo que la ventilación lo elimina. La detección continua de hidrógeno cubre la brecha entre las condiciones para las que se diseñó la ventilación y el peor escenario posible, activando alarmas y ventilación adicional antes de que el hidrógeno alcance un nivel peligroso.
Para los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) de iones de litio, la edición 2026 de la norma NFPA 855 también exige un análisis de mitigación de riesgos (HMA) por defecto. El HMA debe demostrar que los sistemas de seguridad críticos, incluyendo la ventilación de escape y la reducción de la concentración de combustible, siguen siendo fiables durante una falla, y el monitoreo continuo de hidrógeno es la forma en que un operador demuestra que la ventilación está funcionando correctamente. Los contenedores BESS también se suelen tratar como espacios confinados porque no están diseñados para una ocupación continua y tienen acceso limitado. Según la norma de la OSHA sobre espacios confinados que requiere permiso, un gas inflamable por encima del 10 % de su límite inferior de inflamabilidad (LFL) hace que la atmósfera sea peligrosa, y la atmósfera debe analizarse antes de que alguien entre. La autoridad competente (AHJ), generalmente el funcionario local del código de incendios, aplica la norma NFPA 855 junto con la NFPA 1 (Código de Incendios), la NFPA 2 (Código de Tecnologías de Hidrógeno) y el Código Internacional de Incendios. Cuando se aplica la normativa local, las jurisdicciones locales también pueden emitir sus propias directivas. En conjunto, la clasificación de espacio confinado y esta autoridad local proporcionan a la autoridad competente una base para exigir la detección continua de hidrógeno, de modo que el operador conozca el nivel de gas dentro del contenedor en todo momento.
Cuando se utiliza la detección de gases para activar un sistema de reducción de concentración de combustible, como la ventilación por extracción, según un estudio de deflagración NFPA 69, la norma NFPA 855 exige un sistema de detección de gases continuo homologado que lo active a no más del 10 % del LFL, que es del 0.4 % para el hidrógeno. La ventilación debe permanecer activada para que el gas inflamable no supere el 25 % del LFL en promedio, o el 1 % para el hidrógeno. El sistema de ventilación y sus componentes se consideran un sistema de seguridad crítico, y ambos sistemas emiten una alerta en una estación de supervisión.
¿Por qué activar al 10% cuando el límite es del 25%? Las baterías de iones de litio y las acuosas están sujetas al mismo límite máximo: el 1% de hidrógeno en volumen es el 25% del 4% del LFL del hidrógeno. La diferencia radica en cómo se alcanza ese límite. Las baterías de plomo-ácido y otras baterías acuosas liberan hidrógeno a un ritmo constante y predecible durante la carga, por lo que la ventilación puede activarse al 1% de hidrógeno y eliminar fácilmente el gas, ya que se acumula muy lentamente. Las baterías de iones de litio liberan poco o ningún gas hasta que una celda falla y entonces liberan un gran volumen de golpe. Cuando la detección de gas activa la ventilación, el hidrógeno continúa acumulándose mientras el detector responde, los ventiladores aumentan su velocidad y el aire comienza a circular por el recinto. Activar al 10% del LFL deja margen para ese retraso, por lo que la concentración alcanza su pico por debajo del 25%. Cada segundo que tarda un detector en responder reduce ese margen.
A nivel internacional, se aplican dos normas IEC. La norma IEC 62485-5 abarca la instalación, operación y mantenimiento seguros de baterías estacionarias de iones de litio de hasta 1,500 V CC, incluyendo la protección contra emisiones de gas, incendios y explosiones. La norma IEC 62933-5-2 abarca la seguridad de los sistemas de almacenamiento de energía electroquímica integrados a la red durante todo su ciclo de vida, desde el diseño hasta el final de su vida útil. Ambas comparten el objetivo de la norma NFPA 855 de evitar la acumulación de gases inflamables, pero adoptan un enfoque basado en el riesgo. Ninguna establece un punto de activación para la detección de gases. En cambio, requieren un análisis y evaluación de riesgos a nivel de sistema y medidas de protección como ventilación, purga de gases y mantener los gases liberados alejados de fuentes de ignición, elegidas en función de dicha evaluación. La norma NFPA 855 es más prescriptiva, con umbrales específicos como la activación de la ventilación a no más del 10 % del LFL y el mantenimiento de los gases por debajo del 25 %. Esta es una de las razones por las que los proyectos fuera de EE. UU. suelen hacer referencia a la norma NFPA 855 junto con las normas IEC. En cualquiera de los dos casos, un monitor de hidrógeno que responda con rapidez y mantenga su precisión ayuda a demostrar que el gas inflamable está bajo control.
Otras químicas de baterías que producen hidrógeno
Las baterías de iones de litio no son las únicas destinadas al almacenamiento en la red eléctrica. Las baterías de iones de sodio, de flujo, de zinc-aire y de hierro-aire se están implementando o probando, y todas ellas pueden producir hidrógeno. Se dividen en dos grupos. Las de iones de sodio se comportan como las de iones de litio y liberan hidrógeno principalmente cuando falla una celda. Las baterías acuosas (de flujo, de zinc-aire y de hierro-aire) se comportan más como las de plomo-ácido, produciendo hidrógeno como reacción secundaria durante la carga normal e incluso en reposo.
Iones de sodio. Las celdas de iones de sodio funcionan de forma muy similar a las de iones de litio y utilizan un electrolito orgánico inflamable parecido, pero sustituyen el litio por sodio, un metal abundante y de menor coste. Muchos diseños de iones de sodio son más estables térmicamente que los de iones de litio, pero aun así pueden sufrir un sobrecalentamiento. En ese caso, liberan una mezcla de gases similar a la de las celdas de iones de litio, que incluye hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y vapor de electrolito. En un estudio de celdas comerciales de iones de sodio de gran formato, el hidrógeno llegó a representar hasta el 42 % del gas liberado con la carga completa. La monitorización del hidrógeno en las celdas de iones de sodio debe especificarse de la misma manera que en las de iones de litio, priorizando la velocidad de respuesta.
Baterías de flujo. Las baterías de flujo de vanadio-redox y zinc-bromo almacenan energía en electrolitos líquidos que se bombean desde tanques a través de un conjunto de celdas. El electrolito a base de agua no favorece el sobrecalentamiento, pero una reacción secundaria en el electrodo negativo genera hidrógeno, especialmente con un alto nivel de carga o cuando el sistema está sobrecargado o desequilibrado. El hidrógeno puede acumularse en el espacio libre del tanque de electrolito y en la carcasa, por lo que el monitoreo generalmente abarca tanto los tanques como el espacio sobre las celdas.
Zinc-aire. Las baterías recargables de zinc-aire combinan un electrodo de zinc con oxígeno del aire en un electrolito alcalino a base de agua. El zinc se corroe lentamente en este electrolito y libera hidrógeno; la carga puede producir más hidrógeno como reacción secundaria. El gas se libera gradualmente, no de forma repentina.
Baterías de hierro-aire. Estas baterías están diseñadas para el almacenamiento de larga duración, incluso durante varios días. Su funcionamiento se basa en la oxidación reversible: el hierro se oxida durante la descarga y se convierte de nuevo en hierro durante la carga. La carga del electrodo de hierro compite con una reacción parásita que disocia el agua y libera hidrógeno, el cual también se genera mientras la batería está inactiva. Dado que estos sistemas se implementan a gran escala y se cargan durante largos periodos, la gestión del hidrógeno forma parte del diseño del sistema.
En el caso de los sistemas químicos acuosos, el riesgo reside en la acumulación gradual, no en una liberación repentina, al igual que en las baterías de plomo-ácido y níquel. La ventilación y el monitoreo continuo mantienen el hidrógeno muy por debajo de su límite inferior de inflamabilidad (LFL), por lo que la precisión a largo plazo a bajas concentraciones y la ausencia de mantenimiento rutinario son fundamentales. Los requisitos también pueden variar según el tipo de sistema químico, por lo que conviene confirmar cómo la edición aplicable de la norma NFPA 855 y la autoridad competente clasifican la tecnología en sus instalaciones. Independientemente del tipo de sistema químico, se aplican las mismas prioridades: rapidez de respuesta, precisión que no se degrade imperceptiblemente y ausencia de mantenimiento rutinario.
¿Por qué los contenedores modifican la especificación?
Las instalaciones de sistemas de almacenamiento de energía en baterías de iones de litio suelen consistir en contenedores especialmente diseñados que se transportan al lugar de instalación en un remolque de camión estándar. La contenerización ayuda a limitar la propagación de un incendio de un contenedor a otro y a alejarlo de los edificios.
Los contenedores BESS generalmente no están diseñados para ser ocupados por personas, y la mayor parte del trabajo se realiza desde el exterior. Muchos diseños cuentan con puertas exteriores que permiten el acceso a los controles y sensores. Aun así, quien abra una puerta para realizar el mantenimiento debe ser, por lo general, un electricista cualificado con protección contra arco eléctrico. Las salas y módulos habitables, como las instalaciones de SAI en centros de datos, constituyen un caso diferente que abordamos en la publicación complementaria. El mantenimiento y la calibración de los sensores requieren personal experimentado, lo que implica un alto coste laboral y, a menudo, se lleva a cabo en ubicaciones remotas. Por ello, los monitores de hidrógeno para contenedores deben diseñarse para que no requieran calibración ni mantenimiento rutinario.
Debido a que el hidrógeno es más ligero que el aire, los detectores de gas se instalan en la parte superior del recinto, generalmente por encima de las baterías. Un contenedor puede requerir más de un monitor, según su diseño. Cuando el recinto está dividido por pasillos fríos y calientes, la norma NFPA 855 exige que el sistema de detección de gas se active al detectar gas inflamable en cualquiera de los pasillos o subcompartimentos.
Response speed of monitor
Una vez que una celda de iones de litio comienza a liberar gases, las condiciones dentro de un contenedor cerrado pueden cambiar rápidamente, y cada segundo de retraso en la detección reduce el tiempo disponible para iniciar la ventilación y responder. FM Global informa que, en sus pruebas de detección de gases de escape, el intervalo entre la liberación de gases y el descontrol térmico osciló entre cinco y veinte minutos. Un monitor que responde en segundos aprovecha ese lapso en lugar de desperdiciarlo. El monitoreo de baterías de plomo-ácido puede tolerar un tiempo de respuesta de varios minutos sin afectar negativamente la seguridad. Para las baterías de iones de litio, la velocidad de respuesta debe estar entre los requisitos más altos, ya que la detección rápida y confiable de hidrógeno es fundamental para la prevención de incendios en baterías de litio.
La velocidad también depende de lo que mide el monitor. La norma NFPA 855 se basa en la acumulación de gas, no solo en su presencia, porque el riesgo de explosión depende de la cantidad de gas inflamable que se haya acumulado en el recinto. Una mezcla solo puede encenderse una vez que alcanza su LFL, por lo que el código vincula sus requisitos a la concentración: activar la ventilación a no más del 10 % del LFL y mantener el gas por debajo del 25 %. Los sensores de gases de escape que detectan vapor de electrolito u otros compuestos orgánicos volátiles (COV) pueden dar una alerta temprana de que una celda ha comenzado a ventilar, y muchos sistemas utilizan esa señal para detener la carga o aislar un rack. Pero estos sensores normalmente informan que hay gas presente, a menudo como un índice relativo, no qué tan cerca está el recinto del LFL. No pueden mostrar si la ventilación es suficiente o cuándo se ha alcanzado el umbral del 10 %. El hidrógeno se inflama fácilmente, arde en un amplio rango de concentraciones y constituye una gran parte del gas de ventilación de iones de litio, por lo que una lectura rápida de hidrógeno, informada como una concentración, mide ese margen directamente. La detección de gases de escape complementa la monitorización del hidrógeno; No lo reemplaza.
Sensor accuracy, calibration and testing
Ya sea que un contenedor BESS se encuentre en una subestación eléctrica o en un sitio solar remoto, la pregunta es si el operador puede mantener el sistema de seguridad de manera confiable y rentable. Cualquier monitor de gas que requiera pruebas de funcionamiento o calibración eventualmente obliga a alguien a elegir entre omitir el mantenimiento y asumir el riesgo. Un sensor autocalibrable evita esa disyuntiva. No es necesario transportar gas de calibración ni programar visitas de calibración, ya que el sensor se autocalibra continuamente.
Tenga cuidado con los monitores que se anuncian como "sin necesidad de calibración". A menudo, esto significa que se ha ralentizado la deriva de calibración, no que se esté comprobando la precisión, por lo que esta puede degradarse silenciosamente hasta que se produzca un incidente. Otros diseños limitan la deriva al requerir el reemplazo periódico del sensor, lo que en sí mismo constituye un mantenimiento y un coste. Un monitor también debe comprobar el estado de sus propios componentes electrónicos e informar de ello, para que nadie dé por sentado que funciona solo porque se encienda una luz verde. La eficacia de una autocomprobación depende de la evidencia que la respalda. Una forma probada de confirmarla es la certificación según la norma UL 2075, el estándar de seguridad para detectores y sensores de gas y vapor, que comprueba que un detector identifica e informa de las condiciones de fallo. La certificación proporciona a los especificadores la confianza independiente de que las autocomprobaciones del monitor funcionan correctamente.
Selección del monitor de gas hidrógeno adecuado para BESS
En todas las implementaciones de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS), la seguridad y la monitorización de las baterías de iones de litio se reducen a cuatro aspectos:
- Velocidad de respuesta del sensor de hidrógeno que coincide con la rapidez con la que fallan las baterías de iones de litio.
- Precisión del sensor de hidrógeno que no se degrada sin que nadie se dé cuenta.
- Sistema de monitorización de gas hidrógeno que no requiere calibración ni mantenimiento rutinario, por lo que nadie tiene que abrir el contenedor para realizarle mantenimiento.
- Un sensor de hidrógeno que dura 10 años o más sin necesidad de manipulación.
Estas capacidades determinan el coste total de propiedad e incluso si el sistema de seguridad funcionará cuando más se necesite.
Estos requisitos sirvieron de guía para el desarrollo del sistema de monitorización de gases HY-GUARD® RS de H2scan para baterías de iones de litio.
Sistema de monitorización de gas hidrógeno HY-GUARD RS:
- Diseñado para la velocidad de las baterías de iones de litio: El monitor responde en menos de 10 segundos.
- Se autocalibra continuamente: No es necesario abrir las puertas de los contenedores ni utilizar botellas de calibración. La tecnología patentada de sensores de estado sólido se autocalibra continuamente.
- Tecnología de autocomprobación: El monitor verifica el estado de sus propios componentes electrónicos, evitando el riesgo de asumir que un monitor funciona correctamente solo porque su luz verde está encendida. HY-GUARD RS ha completado las pruebas UL 2075 y está pendiente de certificación.
- Libre de mantenimiento: Más de 10 años de vida útil sin necesidad de recalibración rutinaria en campo.
- Conecte en cadena hasta cuatro unidades mediante Modbus: Conecte hasta cuatro monitores HY-GUARD RS en una única cadena Modbus para cubrir contenedores que requieran más de un punto de monitorización. Cada unidad es un monitor completo y funciona de forma independiente.
- Salidas de comunicación y seguridad integradas: Cada monitor proporciona salidas Modbus RTU, de 4-20 mA y de relé directo para conectarse al sistema de monitorización de la planta, ya sea el sistema de gestión de energía (EMS) en un BESS, el sistema de gestión de edificios en un centro de datos o el SCADA en una subestación, y para enviar alarmas y activar ventiladores y otros controles de seguridad funcional.
El sistema HY-GUARD RS funciona de forma totalmente autónoma; no requiere pantalla ni controlador. Para los operadores que deseen mayor funcionalidad, el controlador opcional HY-SIGHT™ incorpora una pantalla táctil que recopila datos de hasta cuatro monitores HY-GUARD RS o HY-GUARD estándar. La pantalla se conecta a la misma cadena Modbus que enlaza los monitores. Cuando se utiliza, dicha cadena Modbus se dedica exclusivamente a la pantalla, mientras que las salidas de relé y de 4-20 mA de cada monitor siguen funcionando simultáneamente para el sistema de monitorización y los controles de seguridad de la planta. El controlador HY-SIGHT permite la inspección visual de los monitores conectados. Además, añade funciones como el historial compilado y el registro de datos para su análisis.
Consulte con un experto sobre su sistema de monitorización de hidrógeno y descubra cómo eliminar el mantenimiento rutinario de los sensores a la vez que mejora la seguridad.
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