Por qué la detección de hidrógeno es imprescindible en su sistema de gestión de baterías de iones de litio

Le han dicho que necesita un Sistema de Gestión de Baterías (BMS) para baterías de iones de litio, ya sea para la instalación de una nueva batería, un proyecto de almacenamiento de energía o para cumplir con las normas de seguridad en constante evolución. El BMS actúa como el cerebro del sistema de baterías: supervisa el rendimiento, mantiene la carga y descarga dentro de los límites seguros y detiene el sistema cuando es necesario.

Pero hay algo que quizás no le hayan dicho: entre los diversos tipos de gases presentes en condiciones anormales, uno es más importante que todos los demás para la monitorización. La detección de hidrógeno no solo es útil, sino esencial. Y debería formar parte de cualquier sistema BMS moderno y fiable.

Por qué el hidrógeno es importante en la seguridad de la gestión de baterías de litio

En condiciones normales, las baterías de iones de litio no emiten hidrógeno. Sin embargo, cuando algo falla —como una sobrecarga, daños en las celdas, defectos en el separador, cortocircuitos internos o incluso la formación de diminutas dendritas de litio en el interior de la batería— esta puede entrar en un estado conocido como fuga térmica . Es entonces cuando la situación se vuelve peligrosa rápidamente.

En una fuga térmica, la temperatura aumenta descontroladamente a una velocidad de 20 °C por minuto, con una temperatura crítica de 125 °C, y puede alcanzar los 500 °C. Este calor extremo provoca la fusión del separador interno de la batería, lo que compromete la capa crítica de interfase electrolítica sólida (SEI). La capa SEI es fundamental para el funcionamiento de la batería, ya que facilita el movimiento de los iones de litio a la vez que restringe el flujo de electrones. Cuando esta capa se degrada, la química de la batería se vuelve cada vez más inestable y se descompone.

¿Uno de los principales subproductos de esta descomposición? Gas hidrógeno , junto con monóxido de carbono, dióxido de carbono y otros gases tóxicos o inflamables.

Las investigaciones han demostrado que el hidrógeno se convierte en el principal gas liberado durante las primeras etapas de la fuga térmica, lo que lo convierte en un indicador ideal de alerta temprana. A medida que las temperaturas superan los 200 °C, el ánodo queda expuesto, lo que acelera el proceso de descomposición. A partir de los 300 °C, los materiales del cátodo comienzan a descomponerse, lo que aumenta significativamente el riesgo de deflagración y explosión.

Sin embargo, el principal gas generado, el hidrógeno, es especialmente peligroso porque:

Es altamente inflamable.
Es inodoro e invisible.
Puede acumularse en espacios confinados.
Sólo una pequeña concentración puede encenderse

Sin una detección adecuada y un monitoreo continuo, podría surgir una situación peligrosa sin previo aviso hasta que sea demasiado tarde.

El papel de los sistemas de gestión de baterías y dónde encaja la detección de hidrógeno

La seguridad comienza con el Sistema de Gestión de Baterías (BMS), también conocido como Sistema de Gestión de Almacenamiento de Energía (ESMS). El BMS monitoriza indicadores esenciales del rendimiento de la batería, como el estado de carga, la sobredescarga y los niveles de temperatura. Cuando el BMS detecta condiciones que podrían provocar una situación peligrosa, apaga el sistema inmediatamente. Además, el BMS optimiza el rendimiento de la batería para garantizar la máxima eficiencia, longevidad y funcionalidad general.

Los sistemas BMS modernos pueden detectar condiciones que podrían provocar eventos térmicos, pero no pueden detectar directamente la presencia de hidrógeno que indica que ya ha comenzado un descontrol térmico.

Si bien el BMS se encarga de la carga, el equilibrio y la monitorización de la temperatura para brindar una protección completa, un sistema de gestión de baterías debe coexistir con la detección de gas hidrógeno. Al integrarse en el contenedor de energía, los sensores de hidrógeno pueden reaccionar en la fase inicial de la defensa. Detectan la acumulación temprana de gas antes de que la situación se agrave. Esto le da tiempo a su sistema para:

Activar alarmas
Apague los módulos de batería
Encender la ventilación
Personal de alerta
Prevenir incendios o explosiones

Es la pieza faltante que une el control electrónico con la mitigación de riesgos del mundo real.

¿Por qué las regulaciones ahora exigen la detección de hidrógeno?

Los códigos y estándares de seguridad a nivel mundial están empezando a exigir la detección de hidrógeno, y las organizaciones pueden anticipar que la cobertura del seguro lo reflejará. Numerosas regulaciones y estándares de seguridad exigen el uso de sistemas de detección de hidrógeno en salas de baterías o en ubicaciones que albergan baterías de litio.

NFPA 855 Exige sistemas de detección de gases combustibles (como el hidrógeno) en sistemas de almacenamiento de energía
COSHH del Reino Unido Las regulaciones requieren que los empleadores evalúen los riesgos asociados con sustancias peligrosas como el hidrógeno y establezcan planes de acción para accidentes, incidentes o emergencias.
IEC-62933 5 2- Proporciona recomendaciones para la seguridad de los ESS, incluidos sistemas de detección de gases para la alerta temprana de eventos térmicos.
UL 9540A Los métodos de prueba evalúan la propagación de la fuga térmica en sistemas de almacenamiento de energía de baterías, y los resultados a menudo impulsan los requisitos de detección de gases.

Muchos bomberos locales y pólizas de seguros ahora exigen sistemas de detección de gas como parte del diseño de las salas de almacenamiento de litio.

En resumen : si va a instalar baterías de litio, la detección de hidrógeno es esperable y, a menudo, necesaria para el sistema de gestión de baterías de iones de litio.

La forma inteligente de integrar la detección de hidrógeno

No todos los sensores de gas son iguales, y muchos no fueron diseñados para entornos con baterías de litio. Ahí es donde entra en juego H2scan.

La tecnología de H2scan representa un avance significativo en comparación con los sensores electroquímicos o de perlas catalíticas tradicionales en varios aspectos cruciales. Nuestros sensores proporcionan mediciones precisas sin interferencias de otros gases comunes en las instalaciones de baterías, gracias a una aleación de minerales preciosos específica para el hidrógeno que absorbe selectivamente las moléculas de hidrógeno.

Los sensores tradicionales suelen requerir calibración trimestral y reemplazo de elementos sensores cada 1 o 2 años, y son susceptibles a desviaciones y falsas alarmas. En cambio, los sensores H2scan mantienen su precisión durante toda su larga vida útil sin ninguno de estos problemas. Esto reduce drásticamente los costos de mantenimiento, elimina visitas innecesarias y previene los riesgos asociados con sensores descalibrados. Nuestras capacidades de monitoreo continuo brindan información temprana sobre el estado de la batería, lo que permite evitar fallas costosas e imprevistas.

Nuestro sólido patentadoLos sensores de hidrógeno de estado sólido están diseñados para:
cero mantenimiento — autocalibración sin gases de calibración ni visitas al sitio a menos que se detecten anomalías
Larga vida útil del sensor — coincide con el ciclo de vida de su sistema de batería
Respuesta rápida y precisa — detecta de forma temprana incluso niveles bajos de hidrógeno
fácil integración — funciona con su PLC, BMS o sistemas de alarma existentes
Autodiagnóstico — le avisa automáticamente sobre cualquier problema operativo

Con el sensor de ubicación general HY-ALERTA® 5020 de H2scan o el sensor intrínsecamente seguro HY-ALERTA® 5320 con capacidades de 4-20 mA y Modbus o Modbus RTU en una carcasa NEMA 4X, no solo cumple con la normativa, sino que añade una capa de seguridad fiable con nuestra tecnología Gen 5, líder en el mercado.

5320

Reflexión final: Un sistema de gestión de baterías más inteligente incluye detección de hidrógeno

Su sistema de gestión de baterías es el centro de control. Sin embargo, sin detección de hidrógeno, no detecta una de las señales de fallo más peligrosas. No permita que una acumulación de gas prevenible se convierta en un evento catastrófico. Con la fiable detección de hidrógeno integrada en su sistema, obtendrá información temprana sobre condiciones anormales, lo que le permitirá prevenir daños a sus equipos, sus instalaciones y, sobre todo, garantizar la seguridad de su personal. Esta misma información permite a los equipos de operaciones migrar a estrategias de mantenimiento basadas en la condición, evitando así los costos innecesarios típicos de los programas de mantenimiento periódico.

Fuentes:

NFPA 855: Norma para la instalación de sistemas estacionarios de almacenamiento de energía: https://www.nfpa.org/codes-and-standards/all-codes-and-standards/list-of-codes-and-standards/detail?code=855
Regulaciones COSHH del Reino Unido: https://www.hse.gov.uk/coshh/
IEC 62933-5-2: Requisitos de seguridad de los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica: https://webstore.iec.ch/publication/30966
UL 9540A: Método de prueba para evaluar la propagación de incendios por fugas térmicas en sistemas de almacenamiento de energía de baterías: https://www.ul.com/services/9540a-test-method
Feng, X., et al. (2018). “Mecanismo de desbordamiento térmico de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos: Una revisión”. Energy Storage Materials, 10, 246-267: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829716303453
Kong, L., et al. (2018). “Comportamiento de la evolución de gases en varios materiales catódicos de baterías de iones de litio”. Journal of Power Sources, 396, 358-367: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775318304377
Lee, JY, et al. (2024). “Un estudio sobre el método de mitigación de la fuga térmica en sistemas de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio mediante análisis numérico”. Journal of Energy Storage, 76, 109812: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352152X24007461

Componentes del gas de ventilación (incluidos O₂ y N₂)
Componente de gas	Concentración % (v/v)
CO₂	20.39
CO	5.39
N₂	27.06
O₂	0.02
H₂	34.35
CH₄	4.50
C₂H₄	3.58
C₂H₆	1.06
C₃H₆	0.93
C₃H₈	0.29
C₄H₈	0.37
C₄H₁₀	0.12

Jeff Donato es Director de Ventas de Productos de Seguridad en H2scan Corporation, proveedor líder mundial de soluciones de sensores de hidrógeno. Donato es miembro del IEEE PES y presidente del Grupo de Trabajo 1578, aportando su experiencia en normas técnicas a la industria. Anteriormente, Donato se desempeñó como Director de Tecnología y Director de Marketing en EnviroGuard y posee una amplia experiencia en el sector de las baterías de reserva, crucial para sistemas de energía y aplicaciones de seguridad.