Normalizar: Vea su BESS con ojos estándar

En nuestro artículo anterior del blog, discutimos qué pruebas deben aplicarse a los sistemas de almacenamiento de energía de batería (BESS) durante las pruebas de aceptación de fábrica (FAT) y las pruebas de aceptación en el sitio (SAT). Pero, ¿cómo evaluamos un BESS desde el punto de vista de la tecnología y la configuración para garantizar que coincida con los parámetros y características actuales del sector en términos de rendimiento y seguridad?

Aquí es donde entran en juego los estándares actuales. Como mencionamos anteriormente, las organizaciones de normalización trabajan incansablemente para mantenerse al día con los avances en las baterías de litio y las tecnologías BESS, por lo que el uso de estas directrices o especificaciones, creadas por expertos y autoridades del sector reconocidos a nivel mundial, es esencial. Este artículo describe los estándares relevantes que se aplican a un BESS.

Cuando hablamos de estándares, la clave es entender que un BESS es un todo compuesto por la suma de sus partes. Por lo tanto, al poner un BESS boca abajo y comenzar desde su parte más pequeña, obtenemos lo siguiente:

• El celda Es la parte más básica de la batería, que almacena y genera una corriente continua (CC) a partir de una reacción electroquímica entre sus componentes.
• Si conectamos un grupo de células en paralelo y en serie y las encerramos, ahora tenemos un módulo (o paquete)¹.
• Finalmente, si apilamos varios módulos juntos, ahora tenemos una batería rack.

Una célula, módulo o rack capaz de almacenar energía de CC es la parte del depósito de una planta de almacenamiento de baterías, equivalente al agua en una planta hidroeléctrica. Se requiere un sistema de conversión de energía para convertir esta energía almacenada en energía, como la turbina en una planta hidroeléctrica.

Para BESS, el sistema de conversión de energía (PCS) es un inversor (un dispositivo electrónico de potencia) que convierte la energía de CC de las baterías en energía de CA. Tenga en cuenta que hay una ligera diferencia entre la potencia conversión sistema y la potencia acondicionamiento sistema a través de diferentes estándares, pero dejaremos esa explicación para otra discusión. En este artículo, nos referimos a PCS como el inversor.

Todo lo anterior al PCS es entonces «una batería». Por lo general, la capacidad energética de las baterías se describe en términos de vatios-hora, porque Energía = Potencia × Tiempo. Aguas abajo del inversor (o PCS), se transforma en vatios, porque potencia = energía / tiempo.

Las baterías tienen requisitos mínimos específicos de rendimiento y seguridad establecidos por las normas que mencionamos anteriormente. Los estándares a nivel de batería suelen discernir entre la celda, el módulo y el rack. Para los estándares en los que se puede certificar una batería, se establece esta diferenciación. Por lo general, se requiere el cumplimiento de los estándares de la batería a nivel de celda, módulo y bastidor (como se muestra en la Figura 1).

En Blanboz, consideramos que los estándares para BESS generalmente se dividen en dos categorías distintas:

• Americano vs Europeo (o Internacional), por ejemplo, IEC vs UL. Sabemos que es una simplificación excesiva, pero nos ayuda a comprender mejor. Los amamos a todos.
• Estándares de seguridad vs estándares de rendimiento.

Estándares de seguridad a nivel de batería

Underwriters Laboratory (UL) tiene su sede en los Estados Unidos y está completamente autorizado y aprobado por la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) para escribir estándares de seguridad. Algunos de sus estándares son fundamentales para BESS y son ampliamente solicitados y reconocidos en el sector. Mientras tanto, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) de redacción de normas tiene su sede en Ginebra, Suiza, y está estrechamente relacionada con la Organización Internacional de Normas (ISO). Las normas IEC son internacionales y se basan en contribuciones de básicamente todos los países del mundo, lo que significa que sus publicaciones y directrices son siempre vitales.

En Blanboz, consideramos UL 1973² el estándar de seguridad más completo para baterías en un BESS, junto con su contraparte IEC, IEC 62619.³ Ambas normas se adoptan ampliamente en el sector. Normalmente esperamos que las baterías de un BESS estén certificadas según los estándares UL e IEC a nivel de celda, módulo y rack.

Vale la pena señalar que uno de los primeros estándares de baterías de litio ampliamente adoptados en la industria fue UL 1642,⁴ pero para BESS hoy en día esta norma se incluye y amplía en UL 1973. Todavía es bastante común encontrar baterías certificadas según este estándar en la industria como parte de la certificación UL 1973; Sin embargo, UL 1642 por sí mismo es un estándar básico y carece de la integridad de UL 1973.

Además, para BESS la norma IEC 62619 va acompañada de la norma IEC 63056⁵ estándar. Este es un estándar relativamente corto de solo 24 páginas, bajo el paraguas de IEC 62619, y amplía los requisitos de prueba necesarios para las baterías utilizadas en un BESS. En Blanboz, alentamos a los usuarios a seguir este estándar, así como IEC 62619. Sin embargo, entendemos que actualmente no se adopta ampliamente dentro de la industria.

Uno de los principales riesgos de las baterías de litio es que si la temperatura de las células no se controla adecuadamente, puede comenzar a aumentar incontrolablemente en una reacción en cadena conocida como fuga térmica (TR). TR siempre comienza a nivel celular, pero los recursos para su manejo y contención deben ocurrir en todos los niveles de un BESS. Aquí es donde el UL 9540A⁶ entra en juego la metodología de prueba. Tenga en cuenta que UL 9540A se cree comúnmente, pero erróneamente, que es un estándar; es solo una metodología de ensayo. Se origina a partir de la UL 9540⁷ estándar, que es un estándar de seguridad para BESS (¡por lo que nos referimos a todo el sistema, no solo a las baterías!). El propósito de UL 9540A es establecer una metodología de prueba para buscar posibles estímulos para TR a nivel celular y evaluar la prevención y contención del fuego, o en otras palabras, evaluar la propagación del fuego, a nivel de módulo, bastidor y sistema. Por lo tanto, la metodología evalúa las estrategias de gestión de riesgos del sistema para mitigar las causas y consecuencias de TR. Esperamos que se realicen varias pruebas basadas en UL 9540A en varios niveles de un BESS.

Otro requisito común de seguridad para las baterías es la norma de transporte elaborada por las Naciones Unidas. Está contenido en su Manual de Pruebas y Criterios, parte III: Procedimientos de clasificación, métodos de ensayo y criterios relativos a diversas clases de peligro, sección 38.3: Baterías de litio metal y litio-ion. Es comúnmente conocido simplemente como UN38.3.⁸ Las baterías se pueden probar y certificar según este estándar desde la celda hasta el nivel del módulo, para garantizar su seguridad durante el transporte.

Estándares de rendimiento a nivel de batería

Pasando de la seguridad, cuando se trata de estándares para evaluar el rendimiento de las baterías de litio para el uso de BESS, en Blanboz usamos IEC 62620⁹ como nuestra principal referencia. Consulte nuestro artículo anterior del blog para echar un vistazo a nuestro enfoque de las pruebas de rendimiento de la batería o contáctenos para el apoyo!

Véase la figura 2 para obtener una visión general de las principales normas aplicables a las baterías para BESS a base de litio.

Sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS): Nivel del sistema

Con los estándares que identificamos y explicamos anteriormente, podemos evaluar exhaustivamente las baterías de un BESS. Sin embargo, cuando llegamos al sistema o al nivel de instalación, los nuevos sujetos levantan la cabeza. Como se muestra en la Figura 3, cuando unimos las baterías con un PCS y comenzamos a generar energía de CA, tenemos un BESS.¹⁰ Usando la nomenclatura de estándares IEC, la combinación de las baterías con el PCS se conoce como el subsistema primario.

Además del subsistema primario establecido anteriormente, un BESS también tiene:

• Un subsistema de control compuesto por el sistema de gestión de la batería (BMS), el sistema de gestión de la energía (EMS) del sistema y las capacidades de control y comunicación a distancia (comúnmente conocido como SCADA, aunque también nos gusta hacer hincapié en la inclusión de controladores de baterías o controladores de centrales eléctricas).
• Subsistemas auxiliares, de los cuales los más importantes son:
  • La gestión térmica de los componentes, que normalmente incluye un sistema HVAC y, para los diseños más recientes del BESS, un enfriador para refrigeración líquida.
  • Capacidades de lucha contra incendios del sistema (prevención y supresión de incendios y prevención de explosiones)
  • Otros subsistemas auxiliares (por ejemplo, iluminación)

A veces, el subsistema transformador y conmutador, que es el subsistema de conexión, no se considera. Ambas iteraciones son correctas y cualquiera de ellas puede considerarse un BESS. Véase la figura 4 para los principales componentes de un BESS.

Con esto en mente, cada uno de estos subsistemas tiene estándares que establecen sus características deseadas; Una vez más, estas normas se separan en requisitos de seguridad y rendimiento. Estas normas específicas no están cubiertas en este artículo; sin embargo, las normas esenciales se mencionan en las normas que mencionaremos a continuación.

Normas de seguridad a nivel de instalación de BESS

En Blanboz, consideramos que los estándares de seguridad más completos para BESS son UL 9540, incluido su método de prueba de descendencia UL 9540A, y su contraparte IEC IEC 62933-5-2,¹¹ que actúa en concierto con IEC 62933-5-1¹². Observe en sus títulos que estas normas son para cualquier sistema completo de almacenamiento de energía (ESS), no solo para el ESS basado en litio. Además, consideran el PCS, el sistema de comunicación, el recinto del sistema y la estrategia contra incendios (detección, supresión, protección contra explosiones y propagación) entre otras características de las instalaciones completas. Estas normas recopilan todos los requisitos mínimos de seguridad para un BESS y hacen referencias específicas a otras normas requeridas.

Una cosa que notamos es que debido a que UL 9540A se centra en la propagación del fuego debido a la fuga térmica a nivel de celda, este método de prueba estándar siempre está asociado con las baterías. De hecho, es un estándar ESS que cubre todos los niveles hasta el nivel de instalación. Además, este método de prueba tiene como objetivo evaluar la temperatura, los gases liberados y las medidas de contención en todo, desde el nivel de la batería hasta el nivel de instalación. El estándar evalúa la efectividad del sistema de rociadores y el plan de protección contra incendios para todo el BESS. Actualmente, la evaluación basada en este estándar es la configuración predeterminada de la industria, aunque el estándar no es técnicamente obligatorio.

Además, los estándares IEC 62933-5-2 y 62933-5-1 actúan como estándares integrales (o pautas), pero debido a la relación entrelazada entre los estándares NFPA y UL, los estándares IEC no se encuentran comúnmente ni se adoptan ampliamente en la industria.

Habiendo mencionado los estándares de NFPA, debemos explicar cuáles son. La Asociación Nacional de Protección contra Incendios es una organización de estándares con sede en los Estados Unidos centrada en la prevención y mitigación de incendios. Cuando se trata de BESS, sus estándares son completamente reconocidos y adoptados por la industria. Un BESS completamente a prueba de fuego debe tener capacidades de prevención de incendios, supresión y prevención de explosiones. Estas propiedades se detallan en los siguientes estándares de NFPA:

NFPA 13: Norma 2019 para la instalación de sistemas de rociadores
NFPA 2010: Norma 2019 para sistemas fijos de extinción de incendios por aerosoles
NFPA 72: Código Nacional de Alarma y Señalización de Incendios 2018
NFPA 69: Normas de 2018 sobre sistemas de prevención de explosiones
NFPA 68: Norma 2018 sobre protección contra explosiones por ventilación por deflagración

Los requisitos específicos de extinción de incendios para BESS se resumen en lo que consideramos la directriz más completa para las mejores prácticas de gestión de incendios, la NFPA 855¹³ norma, que es una compilación completa y detallada de los requisitos de seguridad contra incendios para el BESS. Está estrechamente relacionado con los estándares BESS UL, ya que sus requisitos se entrelazan. Debido a que el fuego es siempre una preocupación crucial con BESS, siempre recomendamos el cumplimiento total con NFPA 855 y estándares relacionados.

La relación entre NFPA 855 y UL 9540

Los estándares NFPA 855 son los requisitos mínimos para la mitigación de riesgos con respecto al fuego, mientras que UL 9540 es un estándar general de compatibilidad y seguridad. Ambos estándares son para todos los tipos de ESS e incluyen sistemas de almacenamiento de energía basados en electroquímicos (BESS).

El capítulo 4 de la versión de 2023 de la NFPA 855 declara que los sistemas de almacenamiento deben evaluarse formalmente (enumerarse) de conformidad con la norma UL 9540. Este requisito también está presente en la versión 2020 de la norma NFPA 855.

Además, el anexo A de la versión de 2023 de la NFPA 855 establece básicamente que puede utilizarse un sistema o método equivalente o superior en materia de seguridad para evaluar un sistema de almacenamiento. Proporcionaremos más análisis y una comparación entre UL 9540 y sus contrapartes IEC con respecto a la equivalencia o superioridad en términos de seguridad en un futuro artículo de blog. En la actualidad, la NFPA 855 no menciona explícitamente ninguna norma de seguridad equivalente a UL 9540 de otra organización.

Por último, la NFPA 855: 2023 menciona que los EES de iones de litio existentes que no figuran en la lista UL 9540 requieren que sus análisis de mitigación de peligros sean revisados por las autoridades competentes específicas del proyecto. Llevar a cabo una HMA siempre se considera una mejor práctica de la industria. Si necesita ayuda para crear un análisis de mitigación de riesgos o tiene alguna preocupación relacionada con el cumplimiento de seguridad de su BESS, no dude en contáctenos.

Normas de rendimiento a nivel de instalación de BESS

Para el rendimiento, las tablas giran y los estándares IEC se convierten en la referencia para evaluar el funcionamiento y las capacidades de rendimiento de su instalación. El principal estándar de evaluación de rendimiento para un BESS es IEC 62933-2-1¹⁴. Reina suprema porque todas las mediciones de potencia activa, potencia reactiva, capacidad de energía y eficiencia de ida y vuelta, entre otras mediciones de rendimiento, están bien definidas en ella.

Esta norma va acompañada de las especificaciones técnicas IEC TS 62933-2-2¹⁵ y CEI TS 62933-3-1¹⁶, que detalla y especifica las pruebas de rendimiento para un BESS en diferentes escenarios.

Por último, nos negamos a terminar este artículo sin mencionar que, a pesar de que no existe una norma actual que se ocupe del rendimiento del sistema de gestión térmica de un BESS, ya sea con climatización y / o refrigeración líquida que conozcamos, este es uno de los temas principales, si no el tema principal a abordar al evaluar el rendimiento del BESS. Estamos de acuerdo con el famoso YouTuber tecnológico Marques Brownlee: «Lo que arruina la batería es el calor».¹⁷ En consecuencia, consideramos que se debe realizar una evaluación exhaustiva del sistema de enfriamiento BESS a nivel de celda utilizando dinámica computacional de fluidos (CFD) y / o pruebas en el mundo real para garantizar que la temperatura de la celda no aumente por encima de los límites recomendados. Esperamos que en el futuro, todas las empresas de fabricación de BESS muestren sus datos detallados de gestión del calor para que los clientes los revisen.

La Figura 5 muestra una visión general de los estándares de nivel de instalación para BESS. Si necesita más ayuda con una revisión tecnológica, diligencia debida técnica o la creación de un requisito técnico del empleador, ¡en Blanboz podemos ayudarle!

Estándares del inversor o del PCS

Finalmente, cuando necesitamos evaluar específicamente las características de seguridad de un PCS, podemos hacerlo fácilmente porque es un equipo maduro y bien estandarizado (gracias a la industria solar fotovoltaica, entre otros). En consecuencia, buscamos evaluaciones y / o certificaciones en UL 1741¹⁸, incluido su suplemento B (UL 1741 SB), y/o IEC 62109-1¹⁹ y IEC 62109-2²⁰. Se trata de normas de seguridad que cubren los requisitos de construcción del dispositivo y los ensayos aplicables que deben realizarse en él. Por lo tanto, son ampliamente utilizados en la industria. Debido a que el PCS sirve como interfaz entre las baterías y la red, convirtiendo la energía de CC en energía de CA y viceversa, y / o estableciendo parámetros eléctricos como voltaje y frecuencia, la evaluación de su rendimiento y capacidades se incluye en las pruebas del BESS como un sistema completo y se detalla en la familia de estándares IEC 62933.

Sobre los autores:

Tomas Gómez – Invitado, ingeniero mecánico con más de 13 años de experiencia en la construcción de proyectos de petróleo y gas. Ansioso por mi nuevo propósito: ayudar en la transición hacia la energía limpia y la descarbonización a través de la ingeniería de calidad. https://www.linkedin.com/in/gomeztag/

Andrés Blanco – Consultor de Proyectos ⁇ Director Gerente de Blanboz, ingeniero con casi 15 años de experiencia en el campo de las energías renovables, y los últimos siete a ocho de estos años se dedicaron plenamente a BESS a lo largo de todo el ciclo de vida del proyecto. Electricidad para todos - Las baterías lideran la carga. Más información en www.blanboz.com , si desea ponerse en contacto conmigo, por favor hágalo en a.blanco@blanboz.com , www.linkedin.com/in/andresblanco77

1. El término módulo es muy común en el sector; sin embargo, esta configuración también se conoce como un paquete por algunos estándares y otras publicaciones. ↩ ⁇
2. ANSI/CAN/UL 1973:2022. Baterías para uso en aplicaciones eléctricas auxiliares estacionarias y móviles. ↩ ⁇
3. BS EN IEC 62619:2022. Pilas y baterías secundarias que contengan electrolitos alcalinos u otros electrolitos no ácidos. Requisitos de seguridad para las pilas y baterías secundarias de litio destinadas a aplicaciones industriales. ↩ ⁇
4. UL 1642 Ed. 6-2020. Baterías de litio. ↩ ⁇
5. BS EN IEC 63056:2020. Pilas y baterías secundarias que contengan electrolitos alcalinos u otros electrolitos no ácidos. Requisitos de seguridad para las pilas y baterías secundarias de litio destinadas a sistemas de almacenamiento de energía eléctrica. ↩ ⁇
6. ANSI/CAN/UL 9540A Ed. 4-2019. Método de prueba para evaluar la propagación térmica de incendios en sistemas de almacenamiento de energía de baterías. ↩ ⁇
7. ANSI/CAN/UL 9540 Ed. 3-2023. Sistemas y Equipos de Almacenamiento de Energía. ↩ ⁇
8. UN38.3: Pruebas de transporte para baterías de litio ↩ ⁇
9. IEC 62620:2014/AMD1:2023. Pilas y baterías secundarias que contienen electrolitos alcalinos u otros electrolitos no ácidos. Pilas y baterías secundarias de litio para su uso en aplicaciones industriales. ↩ ⁇
10. DC ESS son una posibilidad, y está dentro del alcance de UL 9540 evaluarlos, sin embargo, consideramos que AC ESS son el tipo más común de BESS y el enfoque de este artículo. ↩ ⁇
11. BS EN IEC 62933-5-2:2020. Sistemas de almacenamiento de energía eléctrica (SES). Parte 5-2: Requisitos de seguridad para los sistemas del SES integrados en la red: sistemas de base electroquímica. ↩ ⁇
12. IEC TS 62933-5-1:2017. Sistemas de almacenamiento de energía eléctrica (SES). Parte 5-1: Consideraciones de seguridad para los sistemas del SES integrados en la red - Especificación general ↩ ⁇
13. NFPA 855: 2023. Norma para la Instalación de Sistemas Estacionarios de Almacenamiento de Energía ↩ ⁇
14. BS EN IEC 62933-2-1:2017. Sistemas de almacenamiento de energía eléctrica (SES). Parte 2-1: Parámetros unitarios y métodos de prueba - Especificación general. ↩ ⁇
15. BS PD IEC TS 62933-2-2:2022. Sistemas de almacenamiento de energía eléctrica (SES). Parte 2-2: Parámetros unitarios y métodos de prueba: pruebas de aplicación y rendimiento. ↩ ⁇
16. IEC TS 62933-3-1:2018. Sistemas de almacenamiento de energía eléctrica (SES). Parte 3-1: Planificación y evaluación del rendimiento de los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica - Especificación general. ↩ ⁇
17. Vídeo de YouTube. ¿La carga rápida realmente arruina su batería? https://youtu.be/UpqaQR4ikig?si=-DGnPIGOAj05I1pS ↩ ⁇
18. UL 1741 Ed. 3-2021. Inversores, convertidores, controladores y equipos de sistemas de interconexión para uso con recursos energéticos distribuidos ↩ ⁇
19. IEC 62109-1:2010. Seguridad de los convertidores de potencia para su uso en sistemas de energía fotovoltaica. Parte 1: Requisitos generales ↩ ⁇
20. IEC 62109-2:2011. Seguridad de los convertidores de potencia para su uso en sistemas de energía fotovoltaica. Parte 2: Requisitos particulares para inversores ↩ ⁇