de una nueva norma para la seguridad de los ESS, continúa la investigación en un esfuerzo por mejorar los materiales, diseños y metodologías que sustentan esta tecnología en rápida expansión
Entrevista llevada a cabo y editada por Jesse Roman
Pocos años atrás, mientras el investigador David Rosewater probaba el prototipo de un gran sistema de baterías en el Laboratorio Nacional de Sandia en Albuquerque, Nueva México, una nube de humo comenzó a generarse en uno de los componentes y enseguida, se vieron salir pequeñas llamas del sistema. Rosewater luego descubriría que había sido una resistencia sobrecargada y de dimensiones insuficientes la que había provocado una chispa que encendió uno de los subsistemas de la batería. El incendio fue rápidamente extinguido y no hubo heridos, sin embargo, nos cuenta Rosewater en una reciente entrevista con NFPA Journal, el episodio “hizo que me preguntara si existiría una tecnología de vanguardia para evitar incidentes en estos sistemas y esto me llevó a una investigación sobre seguridad de sistemas de batería como una disciplina de la ingeniería.”
Si bien millones de baterías funcionan a diario sin incidentes, recientes episodios en los que se incendian y explotan tabletas móviles, aerotablas, cigarrillos electrónicos y teléfonos celulares, ilustran el potencial destructivo de las baterías. Si algo similar ocurriera a gran escala —por ejemplo, en un sistema de baterías del tamaño de un tractor o tráiler conectado a una red de energía —podría implicar un peligro para socorristas y para el público en la forma de un incendio, explosión, gases y productos químicos tóxicos y arco eléctrico.
En Sandia y otras instalaciones de investigación, tales como el Laboratorio Nacional del Noroeste Pacífico o PNNL, los investigadores se encuentran trabajando en el desarrollo de mejores diseños, mejores materiales y mejores tecnologías para reducir el riesgo de los desastres provocados por baterías. La NFPA también se encuentra trabajando en esa dirección mediante el desarrollo de mejores reglamentaciones en torno a los sistemas de batería, también conocidos como sistemas de almacenamiento de energía o ESS en el lenguaje de la industria. Este año, la NFPA formó un comité técnico para ESS, conformado por investigadores, fabricantes, socorristas y otros, con el fin de desarrollar una nueva norma integradora sobre los ESS, que los miembros del comité esperan pueda aportar consistencia al diseño, instalación y respuesta a la emergencia de ESS.
A medida que la industria se expande tan rápidamente en todo el mundo, son necesarias guías y reglas adicionales claras, dice Rosewater, que es uno de los 30 miembros del comité técnico sobre ESS recientemente establecido por NFPA. Si bien las instalaciones eran escasas hace solo cinco años, en la actualidad miles de sistemas de batería están siendo instalados cada año en hogares residenciales, comercios, edificios de oficinas y centrales de compañías eléctricas. La adopción acelerada de los ESS se debe a una infinidad de ventajas económicas y medioambientales que ofrecen las baterías; entre ellas la “neutralización de picos,” la práctica de almacenar energía en baterías cuando los precios son bajos y utilizar esa energía durante los momentos de mayor costo resultando así en una mayor independencia energética, en un uso más eficiente de la energía renovable; una reserva de energía momentos deemergencias eléctricas y la posibilidad de que las compañías eléctricas administren de mejor manera el uso de la energía en la red eléctrica. Los avances tecnológicos también han ayudado.
Para hacer frente a la demanda, este año Tesla planea abrir una planta de fabricación de baterías de $5 mil millones en el desierto de Nevada denominada la Gigafábrica, en la que se fabricarán baterías a un volumen alguna vez impensado. Un conjunto conformado por otras compañías tales como LG Chem, GE y Siemens, también se encuentran invirtiendo significativamente en ESS, mientras que investigadores, tanto de los sectores públicos como privados trabajan de manera constante para perfeccionar nuevos diseños y composiciones químicas.
Muchos investigadores, entre ellos Rosewater, trabajan para hacer que los ESS sean más seguros. Numerosos proyectos se encuentran en desarrollo en Sandia y PNNL, incluidos esfuerzos para desarrollar materiales de batería más seguros y diseñar mejores sistemas de supresión de incendios s y supresores para baterías. En Sandia, un laboratorio completo se dedica a llevar adelante pruebas de abuso con el fin de saber cómo responden las baterías en situaciones anormales—descarga, daño externo, incendio, recalentamiento, sobrecarga y más.
NFPA Journal habló con Rosewater sobre el estado de la investigación sobre la seguridad en baterías, sus aspiraciones para el nuevo comité técnico de NFPA para ESS, y los riesgos que las baterías podrían implicar para socorristas, instaladores y el público.
Por diversos motivos, las instalaciones de ESS aumentan muy rápidamente. ¿Qué tan rápidamente evoluciona la tecnología?
Todos los años hay nueva tecnología disponible. Se están llevando a cabo investigaciones en laboratorios nacionales, espacios académicos y en la industria para expandir los límites, y está cambiando rápidamente.
Incluso en los cinco años en los que trabajé en este tema, he visto a la industria crecer de manera exponencial. En los laboratorios nacionales, estamos colaborando en darle impulso mediante el desarrollo de mejores tecnologías, y existe una fuerte decisión de la industria de ayudar a resolver problemas de energía dentro de la red y de ir en busca de nuevos mercados. Esta dinámica ha desarrollado una red para el rápido despliegue de estas tecnologías de batería que van desde el tope de gama hasta instalaciones de sistemas en unos pocos años. Por un lado, este es un gran desarrollo para la transición mundial hacia la energía sustentable, pero ello trae aparejado desafíos para asegurar que estas nuevas tecnologías sean desplegadas de manera segura. Es un desafío, pero no algo imposible.
¿Genera inquietud la innovación? ¿Se desarrollan nuevos riesgos más rápidamente de lo que pueden ser controlados?
Desde nuestra perspectiva, no. De hecho en general la seguridad está mejorando a nivel global. Comprendemos más sobre los mecanismos de seguridad cada año. Asimismo, la normalización tanto de diseños seguros y de procesos seguros asegura que las nuevas tecnologías se están desarrollando según parámetros de seguridad cada vez más altos. Seguirán surgiendo nuevas cuestiones, podrán producirse incendios en sistemas de batería que continúen siendo noticia, pero deberíamos moderar este alboroto mediante la comprensión y el conocimiento de que miles de sistemas funcionan perfectamente, sin incidentes día tras día. Y este proceso es, por supuesto, parte integrante del despliegue de casi todos los avances tecnológicos. Toda la tecnología sigue este curso.
¿Qué desafíos y riesgos presentan las grandes baterías en relación al público y a los socorristas?
Todas las baterías presentan tres tipos principales de riesgo: voltaje, explosión por arco eléctrico e incendio. Estos riesgos ya se han comprendido y controlado en el entorno construido. Ninguno de estos riesgos es nuevo o exclusivo de las baterías, y los métodos de la ingeniería de seguridad ya se encuentran disponibles para el adecuado control y reducción del riesgo en el caso de accidente o incidente en estos sistemas.
Tipos específicos de baterías, tales como las de litio-ion o plomo-ácido, tienen sus propios riesgos adicionales y específicos, tales como el de combustibilidad o toxicidad de los gases de ventilación. Pero hasta ahora, no he visto ningún riesgo en sistemas de batería que no se comprenda muy bien en la actualidad en otros entornos construidos, ya sea el del procesamiento de productos químicos, o el del sector energético o algún otro. Estos son riesgos bien conocidos y comprendidos, y sólo debemos controlarlos mediante el diseño.
¿Cómo se logra eso?
Un buen diseño considerará todas las interacciones entre los componentes del sistema en cada configuración posible. Impone restricciones de seguridad con verificación de la redundancia y del error. Eso es algo realmente difícil de hacer, pero se está simplificando a medida que la base de la tecnología y del conocimiento progresa.
¿Cuál es la parte más difícil de introducir en el diseño para la seguridad de estos sistemas?
Una de las partes más difíciles en el diseño de sistemas seguros consiste en que los seres humanos somos parte de cualquier sistema técnico con el que se encuentren trabajando. Los seres humanos no nos compartamos exactamente de una manera puramente predecible. Cada vez que las personas interactúan con estos sistemas, los métodos de ingeniería de la seguridad deben adaptarse a ese nuevo medio o a ese nuevo modo. Esta es en verdad una de las cosas que hacen que el trabajo de NFPA sobre almacenamiento de energía sea tan valioso. El desarrollo de pautas sobre tácticas para socorristas, normas sobre evaluación de riesgos, y toda esa gama de investigaciones que lleva adelante la NFPA para que los departamentos de bomberos respondan a estos incidentes en sistemas de batería, es en efecto, ingeniería de la seguridad aplicada a las interacciones entre bomberos y sistemas, y esto es clave. Nosotros confiamos en el departamento de bomberos para que proteja la vida y la seguridad si algo en estos sistemas sale mal, y ellos necesitan las herramientas y procedimientos para llevar adelante ese trabajo de manera segura.
¿Cuáles son algunas de las cuestiones sobre ESS que el nuevo comité técnico de la NFPA podría abordar?
Creo que el objetivo del comité es el de desarrollar nuevas normas para la instalación de almacenamiento de energía en la red, que proporcionarán instrucciones claras a fabricantes, propietarios de edificios, socorristas y demás para el diseño seguro de los ESS y que consideran tanto la forma en que el departamento de bomberos interactúa con la tecnología como cualquier otro tema sobre el diseño que se relacione con la instalación de los sistemas.
¿Esto qué incluiría?
Incluiría aspectos tales como observación, señalización, etiquetas de advertencia, así como iluminación de seguridad, espacios libres y este tipo de cosas. Se pueden comprender bastante bien estas cosas mediante el proceso de diseño, pero será mucho más fácil para todos quienes estén involucrados, si podemos establecer este tipo de requisitos en una norma clara a la que los instaladores y fabricantes puedan señalar y decir “Sí, lo hemos hecho bien.” Una norma exitosa protegerá la vida y la propiedad si algo sale mal, pero además optimizará el proceso e impulsará la industria.
¿Existe algún lineamiento como este en la actualidad?
Los lineamientos están y existen prácticas de ingeniería de seguridad que pueden evitar cualquiera de los riesgos que presentan las baterías, pero poner todo en un mismo lugar y resolver conflictos, tales como las condiciones específicas extremas bajo las cuales deben probarse las baterías, serán de las cosas más importantes y más difíciles que el comité tiene por hacer.
¿Dónde y cómo se utilizan estas baterías?
Uno las ve aflorar en todos lados, en cualquier punto imaginable de conexión a la red. Abarca desde una escala residencial hasta el almacenamiento a gran escala en el nivel de transmisión.
El almacenamiento de energía ha sido especialmente útil para las empresas de servicios públicos. Históricamente, la red ha sido operada como un sistema de distribución de productos sin reservas. Imaginen intentar manejar un sistema de distribución de mariscos sin depósitos, o un sistema de distribución de agua sin tanques. Ha sido difícil dar tratamiento al tema, combinando la carga y el suministro a cada momento de cada día, Y se está tornando más difícil dado que existen más fuentes variables que están siendo ingresadas a la red. Este es un desafío, pero es un problema de ingeniería que puede ser resuelto, y una de las cosas que puede ayudar a resolverlo es el almacenamiento. De modo que en verdad nos estamos moviendo en esta dirección como resultado de nuestro movimiento hacia una economía de energía más sustentable.
Hay tanto que está sucediendo en términos de investigación y avance en baterías. ¿Cuáles son las áreas principales que se están estudiando?
Se están logrando avances en muchas áreas. Un área con un alto nivel de atención es el plan para almacenamiento de energía de red del Departamento de Energía de los EEUU, que fue suspendido en 2013. Priorizaba la investigación en cuatro áreas: desarrollo de la tecnología costo-competitiva, confiabilidad y seguridad validadas, entorno normativo equitativo y la aceptación de la industria. Hemos visto grandes inversiones en cada una de estas áreas en diversos sectores industriales, y ha habido avances cada año. Las mejoras se han efectuado de manera consistente.
¿Qué avances se han hecho específicamente por el lado de la seguridad en la investigación?
La investigación y el desarrollo están mejorando nuestra comprensión de la seguridad y de los controles cada año. Por ejemplo, cuando la batería de litio-ion tiene una fuga térmica, puede emitir gases, y estos gases de ventilación se pueden concentrar en un espacio cerrado y tornarse combustibles. Históricamente, esto en realidad no ha sido un riesgo que abordar, dado que la mayoría de las baterías de litio-ion se utilizaban en productos electrónicos personales y tal vez en autos. Los motores de autos y los teléfonos celulares no se encuentran en espacios cerrados y entonces no se concentran gases durante un evento de fuga térmica. Pero ahora tenemos esto en cuenta en los diseños de instalaciones de batería estacionarias de litio-ion dado que son colocadas en pequeños gabinetes. De modo que sólo la comprensión de las diversas propiedades de las baterías en diversas aplicaciones ha evolucionado en los últimos años. Y esto es apenas un sólo caso de estudio en la profundización de la comprensión de los riesgos en sí mismos y de la tecnología en sí misma que conducirá a mejorar los diseños. Yo he visto que las mejoras en los diseños se han abierto camino para ser parte integrante de los sistemas que se instalan en la actualidad. Existe ahora una comprensión sobre el control de los riesgos que no existía necesariamente cinco o diez años atrás.
