en baterías de iones litio

Por: Giancarlo Passalacqua

o podemos negar que la innovación y los avances tecnológicos tiene un impacto positivo en el desarrollo de la sociedad. Su contribución en la optimización y agilización de procesos, haciéndolos más eficientes, es enorme; sin embargo, traen consigo serios desafíos en temas de seguridad y protección contra incendio.

Un ejemplo de ello, son los incendios relacionados con baterías de iones de litio; una problemática que se ha evidenciado en grandes ciudades como Nueva York, y que, de no tomarse las medidas necesarias, es probable que no tarde en presentarse en Latinoamérica.

En esta entrevista, Giancarlo Passalacqua, investigador de incendios y director técnico de la Sociedad Nacional de Protección Contra Incendios (SNPCI - Perú), nos habla sobre este preocupante tema y nos detalla cómo durante los tres últimos años, se han ido encendiendo las alertas ante el crecimiento exponencial de incendios generados en aparatos con este tipo de almacenamiento de energía.

Empecemos por lo básico, ¿qué son las baterías de litio y dónde las encontramos?

Las baterías de litio son una nueva forma de almacenamiento de energía. Actualmente, las encontramos en múltiples artefactos y aparatos electrónicos portátiles, como nuestros equipos móviles, dispositivos de micromovilidad electrónica o e-micromobility: llámense motos eléctricas, bicicletas eléctricas, scooters, entre otros.

Estas se diferencian de otro tipo de baterías por su alta densidad de carga (almacena mucha más energía), por su eficiencia (mayor duración) y su capacidad de recarga. En conclusión, son una fuente de energía con muchos beneficios, pero presentan un serio problema que tiene preocupados a la comunidad de expertos de protección contra incendios en el mundo. Y es que, tienden a la auto-descomposición.

Para explicarles mejor este punto necesitamos entender que las baterías de litio están compuestas por iones. Un ion es un átomo o una molécula que ha perdido o ganado uno o más electrones. Este lleva una carga eléctrica neta que varía según el nivel de electrones. Si el resultado es un átomo con más electrones que protones, el ion tiene carga negativa; por el contrario, en caso de tener menos electrones que protones, el ion tendrá carga positiva. Es importante resaltar que los iones tienden a la inestabilidad porque su carga eléctrica está desbalanceada.

Ahora, una batería de litio cuenta con miles de millones de iones en su interior; los cuales, se encuentran compartimentados a manera de pequeñas pilas. Si estas se sobrecargan los compartimientos que se usan para mantenerlos controlados se rompen y entran en contacto entre sí, provocando que más compartimientos entren en descomposición, liberando energía de forma descontrolada y generando una reacción en cadena llamada el embalamiento térmico o thermal runaway.

¿Por qué los expertos están preocupados por los riesgos de embalamiento térmico en las baterías de litio?

Porque es una reacción exotérmica a gran escala, en donde, en vez de entregar energía eléctrica, los iones que se encuentran dentro de las baterías se vuelven inestables y empiezan a colisionar unos con otros, generando calor de manera exponencial que, una vez iniciada es muy difícil pararla porque crean gases nocivos, calor increíblemente alto y explosiones que son muy difíciles de extinguir.

Todavía se está estudiando el fenómeno, pero actualmente se reconocen cuatro causas para el comienzo de un fuego por baterías de litio: por impacto, por vibración violenta, envejecimiento y sobrecargar o exceso en la descarga. “

¿A qué se debe que esta reacción sea difícil de controlar?

Existen varias razones, pero nos concentraremos en dos: la forma de compartimentación y la falta de agentes capaces de extinguir este tipo de incendios. Lo explico con un ejemplo; un vehículo eléctrico moderno, con batería de litio, puede contener entre 7104 y 7108 pilitas. Recordemos que en este tipo de baterías los iones de litio se colocan en pequeñas pilas. Si se requiere mayor capacidad de almacenamiento, es necesario contar con mayor número de pilas; las cuales, se van compartimentando en cajas que cuentan con capacidad de 19, 24 o 48 pilas; en caso de que se necesiten más, se colocan en cajas de mayor tamaño, haciendo que el problema sea más grande debido a que, cuando ocurre el embalamiento térmico, combatir el fuego es imposible. ¿Por qué? Aquí desarrollo el segundo punto que mencioné. No existe un agente extintor de fácil disponibilidad capaz de quitar la gran cantidad de calor que generan este tipo de incendios en un espacio tan pequeño; y aun si lo hubiera, llegar a la fuente de calor no sería posible debido a que se encuentra metido en varias cajas, una dentro de otra; de tal manera que, por más agua, espuma o polvo que utilicemos es probable que no logremos apagarlo.

En resumen, es prácticamente imposible de apagar este tipo de incendios, ya que, no existe un sistema eficaz y eficiente, mucho menos listado u homologado, capaz de extinguirlo con la capacidad suficiente de enfriamiento.

¿Cuáles son las causas que provocan esta reacción en las baterías de litio?

Todavía se está estudiando el fenómeno, pero actualmente se reconocen cuatro causas: por impacto, por vibración violenta, envejecimiento y sobrecargar o exceso en la descarga.

Hoy en día ya se pueden evidenciar los riegos. Solo veamos lo acontecido en Estados Unidos. El departamento de Bomberos de la Ciudad de Nueva York, a través de su comisionado, ha solicitado al laboratorio de investigación de seguridad contra incendios de UL, iniciar estudios que permitan definir estrategias de actuación ante la problemática, en lo que se refiere a las incidencias con baterías de litio que viene enfrentando y que se ve incrementada en cifras año a año.

Según lo especificado en el plan titulado “Carga seguro, viaja seguro: plan de acción de micromovilidad eléctrica de la Ciudad de Nueva York”, tenemos los siguientes indicadores: en Nueva York estos incendios han pasado de 44 en 2020 a 104 en 2021 y 220 en 2022; en los primeros dos meses de 2023, hubo 30 incendios de este tipo; estos incendios son particularmente severos y difíciles de extinguir; crecen y se propagan rápidamente. Durante el periodo 2021-2022, estos incendios provocaron 10 muertes y 226 heridos. En los dos primeros meses de 2023, derivaron en dos muertos y 40 heridos.

¿Podemos comprobar los riesgos que existen en Nueva York con los de Lima en Perú?

Si bien, no está cuantificada la problemática debido a que no contamos con estadísticas, sí podemos mencionar casos puntuales de incendios relacionados con baterías de litio en Lima. En abril de 2022, en el distrito limeño de San Borja, se reportó un incendio en una vivienda que funcionaba como almacén de bicicletas, scooter y motos eléctricas. El incendio catalogado como código 2, fue ocasionado, aparentemente, por un embalamiento térmico en una batería de litio. El cuerpo de bomberos voluntarios indicó que durante el incendio se registraron explosiones y que, debido a la presencia de gran cantidad de baterías de litio, tuvieron que usar una escalera telescópica y espuma para apagar las llamas.

En el Perú, el mercado de este medio de transporte es relativamente nuevo, conforme estos vayan madurando los riesgos se incrementarán. Nueva York nos lleva entre año y medio y dos de adelanto. Es probable que dentro de ese periodo empecemos a ver la problemática aquí. Mientras tanto, desde el Estado aún no se trabaja en regulaciones, lineamientos o acciones preventivas para evitar que repliquemos lo que se viene presentando en EE.UU. Para ello, es importante que todos los actores involucrados, desde el gobierno hasta los usuarios, sepamos que la problemática es real y que es necesario tomar consciencia y acción de ello para evitar que este riesgo latente se convierta en un peligro inminente.

En tu opinión, con respecto a las baterías de litio, ¿el costo es mayor que el beneficio?

Creo que la relación costo-beneficio que existe en el uso de las baterías de litio está en una delgada línea roja. Si los ponemos en lógica pura, debemos resaltar que hablamos de una serie de artefactos que generan incendios, para los cuales no tenemos medios de extinción. Hoy no lo vemos de esta manera y un tanto lejano, pero el problema será tangible cuando logremos masa crítica.

Cuando haya suficiente cantidad de aparatos distribuidos en la ciudad, sin regulación, sin mantenimiento y cuidado adecuado, provocando que no solo tengas un incendio, sino incendios en cadena dentro de establecimientos; provocando pérdidas materiales y, peor aún, de vidas, tal como se ve en Nueva York.

Cómo experto, ¿cuál sería tu mensaje o advertencia para el manejo de esta problemática en Lima y en todas las ciudades de Latinoamérica?

Mi opinión es que estamos frente a un eficiente y práctico sistema de almacenamiento de energía. Es el futuro y no podemos, ni debemos darle la espalda; sin embargo, este requiere cuidados especiales, atención, piezas de buena calidad, y sobre todas las cosas, una buena regulación y reglamentación dónde los especialistas en seguridad contra incendios tengan la palabra.

Hay que ponerle un ojo, estamos a poco menos de dos años detrás de Nueva York. Lima es una ciudad más compleja, desordenada y menos tendente a la observancia de las normas de seguridad, símil en estas características a muchas ciudades de Latinoamérica, por lo tanto, es lógico pensar que tenemos altas probabilidades de ser afectados por este tipo de incendios, sin embargo; podemos empezar a mirar y reconocer que existe un riesgo inherente en este tipo de implementaciones modernas que no es mayor o menor que el que impusieron otros avances tecnológicos en su momento, pero que merece atención y trabajo. El reconocimiento del riesgo no debe ir en contra del progreso sino al contrario, y como expertos en protección contra incendios debemos comenzar a levantar la mano, visibilizando la tendencia mientras se trabaja en propuestas que contribuyan a solucionar esta problemática, convirtiéndola en una oportunidad de mejora para la seguridad de todos.

Estamos frente a un eficiente y práctico sistema de almacenamiento de energía. Sin embargo, este requiere cuidados especiales, atención, piezas de buena calidad, y sobre todas las cosas, una buena regulación y reglamentación dónde los especialistas en seguridad contra incendios tengan la palabra.

GIANCARLO PASSALACQUA

RECONOCIDO EXPERTO EN INVESTIGACIÓN DE INCENDIOS

Y MIEMBRO DEL CUERPO GENERAL DE BOMBEROS DEL PERÚ.

ACTUALMENTE, ES DIRECTOR TÉCNICO DE LA SOCIEDAD NACIONAL DE PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS

Protección contra incendio para baterías de litio

PRINCIPALES CONSIDERACIONES TÉCNICAS.

Por: Pahola D. Flores

Las baterías de iones de litio, también conocidas como baterías Li-Ion cuentan con grandes propiedades como son: la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética y resistencia a la descarga. Sin embargo, como toda tecnología, puede contar con deficiencias en la calidad de sus materiales o en el ensamble de estos, características que pueden tomarse como puntos en su contra; y que pueden exponenciarse dada su sensibilidad a las altas temperaturas, provocando su destrucción por sobre calentamiento o explosiones, y generando riesgos para la vida o la propiedad.

Debido a que esta tecnología ha estado en el mercado desde hace varias décadas, su producción es más accesible para diversas compañías. Entre sus aplicaciones más populares se encuentran los teléfonos celulares, herramientas eléctricas, cortadoras de césped eléctricas, y automóviles eléctricos.

Ahora bien, existen tres grandes grupos de las baterías de iones de litio:

Baterías de tamaño pequeño. Son las baterías que utilizamos para los dispositivos electrónicos y herramientas de mano.

Baterías de tamaño grande. Son utilizadas en equipos móviles como montacargas y autos.

En la cotidianidad de nuestra oficina, es muy común enterarnos de los diversos proyectos de sistemas contra incendio que se desarrollarán a lo largo de la República Mexicana. En esta ocasión, tomo como base una solicitud de cotización para diseñar la protección de una nave industrial, en la cual, se almacenarían baterías de iones de litio, y a través de ello, les comparto un poco sobre la investigación que realizamos para desarrollar las posibles opciones de protección contra incendios.

Consideraciones para el Diseño

El cliente en cuestión se dedica a la logística, por lo que en su edificio se almacenan diversos productos para otros clientes. En un punto determinado, tiene la necesidad de almacenar un nuevo producto, específicamente, baterías de iones de litio en racks sencillos y dobles; de manera más detallada, las baterías se almacenarían en su presentación de producto terminado, dentro de cajas de cartón.

Sistemas de Almacenamiento de Energía de gran escala (ESS “Energy Storage Systems” por sus siglas en inglés).

Para efectos de este texto dejaré fuera los Sistemas de Almacenamiento de Energía, sin embargo, si te interesa conocer más acerca de este tema, puedes consultar NFPA 855 Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems.

Puesto que la información era limitada, y este tipo de protección es algo nuevo en proceso de investigación, comenzamos a indagar cómo se podría proteger este edificio. E iniciamos preguntándonos, ¿qué dice NFPA sobre la protección de almacenamientos de baterías de iones de litio? Desafortunadamente, no se ha publicado dentro de los estándares qué hacer para proteger los edificios con almacenamiento de baterías de iones de litio. NFPA 13 edición 2022 en la sección A.20.4 nos menciona que los almacenamientos indicados en la tabla A.20.4(a) se encuentran fuera del alcance del estándar, siendo las baterías de iones de litio uno de los productos listados, sin embargo, se hace la aclaración de que la protección de estas baterías está en proceso de investigación por parte de la Fundación de Investigación de NFPA, por lo que, los reportes son publicados y pueden ser consultados en la página web.

La Fundación de Investigación de NFPA nos informa en el reporte “Lithium-Ion Batteries Hazard and Use Assessment – Phase III” publicado en noviembre de 2016, que de acuerdo a las pruebas realizadas, los almacenamientos de baterías de iones de litio almacenadas en cajas de cartón pueden ser protegidos adecuadamente con rociadores en cubierta ESFR K22.4,

¿Qué dice FM Global sobre la protección de almacenamientos de baterías de iones de litio?, es bien sabido por la industrial de la protección contra incendios que FM Global tiene la capacidad de realizar pruebas y realizar actualizaciones en sus fichas técnicas con gran regularidad. Recientemente se han llevado a cabo importantes cambios y adiciones en su documentación.

En la revisión interina de octubre 2021, de la ficha técnica 3-26 Protección contra incendio para ocupaciones de no almacenamiento, en la sección 1.2 cambios, nos indica que se agregaron las secciones 2.3.2.5 (Almacenamiento ocasional) y 2.3.3.2 (Apilamiento en bloques, también conocido como Low-piled) para protección de las baterías de iones de litio, así como la adición en la tabla C-2 de su manufactura. (Tabla C-2)

En ocupaciones de no almacenamiento es permitido contar con un almacenamiento ocasional (2.3.2.5) de acuerdo a las siguientes condiciones: colgantes, temperatura nominal 165°F a una presión mínima de operación de 35-psi, siempre y cuando el almacenamiento cumpla con las siguientes características:

Área de almacenamiento máxima, 200-pies2.

Altura máxima de Almacenamiento, 6-pies.

Separar múltiples áreas de almacenamiento con pasillos de mínimo 10-pies de ancho.

Las baterías con una carga menor al 60%.

Altura máxima de almacenamiento, 15-pies.

Altura máxima de techo, 40-pies.

Rociadores instalados a una distancia de cubierta al elemento térmico, 17-pulgadas.

Espaciamiento entre rociadores, 10-pies.

Baterías con una carga menor al 50% de su capacidad.

Los resultados en este reporte nos indican que el almacenamiento de baterías inactivas, típicamente, no está sujeto a ignición interna. La prueba realizada a gran escala mostró que las baterías de iones de litio tienen un comportamiento ante el fuego similar al de los plásticos no expandidos. Por lo que tiene sentido proteger estos almacenamientos de acuerdo a NFPA 13, como plásticos no expandidos expuestos cuando no cuenten con empaque de cartón, y como plásticos no expandidos no expuestos cuando sí cuenten con empaque de cartón.

En caso de no cumplir con las condiciones antes mencionadas, debes proceder a proteger el edificio de acuerdo a la ficha técnica 8-1 Almacenamiento de productos Clase 1, 2, 3 y 4, y Plásticos.

Además, de la sección 3.3 del apartado fundamento de las recomendaciones FM, nos proporciona datos clave para considerar en nuestros diseños:

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Los datos limitados de pruebas disponibles apuntan a que los incendios que afectan a baterías de iones de litio pueden superar la duración del suministro de agua habitual para las actividades de almacenamiento.

El fallo de las baterías provoca que éstas despidan un gas inflamable que puede acumularse y dar lugar a una mezcla explosiva en espacios cerrados o contenedores.

3No se recomienda el apilamiento en bloques (Low-piled storage) de las baterías de iones de litio, ya que, el incendio podría seguir propagándose por todo el almacenamiento dado que la protección por rociadores instalada no sería capaz de extinguirlo.

En la revisión interina de enero 2023, de la ficha técnica 8-1 Almacenamiento de productos Clase 1, 2, 3 y 4, y Plásticos, en la sección 1.2 Cambios, nos indica que se clarificó y expandió la sección. 2.4.2

Baterías de iones de litio:

Los almacenamientos de productos terminados que contengan células o módulos de iones de litio deben cumplir las siguientes condiciones.

Altura máxima de techo: 40-pies. Carga de la batería de iones de litio ≤60%.

En caso de que alguna de las dos condiciones no se cumpla, se deberá almacenar los productos terminados que contienen células o módulos de iones de litio en racks de marco abierto y proteger con rociadores In-Rack de acuerdo a la sección 2.4.2.2. Esta misma sección aplica para células o módulos de iones de litio usados o reconstruidos.

(Tabla

No está permitido almacenar arriba de las baterías cuando se utilizan opciones de protección solo de techo.

Cuando se almacena en arreglos tipo pilas sólidas o paletizados, se requieren espaciamientos mínimos de 10-pies entre células o módulos de iones de litio y otros materiales combustibles.

Células o módulos de iones de litio defectuosos se deberán almacenar en el exterior del edificio con una separación de acuerdo a la ficha técnica 1-42.

2.4.2.2

Cuando los in-racks son requeridos, se deberán instalar barreras sólidas horizontales, ya sea de madera contrachapada o metal (espesor mínimo 3/8-pulgada), dependiendo del tipo de racks, las barreras sólidas serán de acuerdo a las figuras 2.4.2.2-1 y 2.4.2.2-2. Espaciamiento vertical máximo entre barreras, 12-pies.

No se deberán almacenar células o módulos de iones de litio arriba de la barrera superior.

Las barreras deberán diseñarse sin espacios en la sección de las chimeneas longitudinales. Entre la sección de las chimeneas transversales, es permitido tener un espacio máximo de 3-pulgadas para racks sencillos y dobles.

Debajo de cada barrera se deberán instalar rociadores in-rack K8.0 o K11.2, temperatura 165°F, respuesta rápida.

Cuando se colocó una sola barrera sólida, calcular los 6 rociadores in-rack más hidráulicamente remotos a un flujo mínimo de 60-gpm.

Cuando se colocaron dos o más barreras sólidas, calcular los 8 rociadores in-rack más hidráulicamente remotos a un flujo mínimo de 60-gpm.

No incluir la demanda de los rociadores de cubierta en los cálculos hidráulicos de rociadores in-rack.

Los rociadores de techo deberán ser diseñados de acuerdo al riesgo de almacenamiento de los contenidos aledaños.

(figura 2.4.2.2-1 y figura 2.4.2.2-2)

El almacenamiento de agua deberá ser dimensionado para proveer la demanda de los rociadores más 250-gpm para uso de mangueras por, al menos, 120 minutos para almacenamientos de células o módulos de iones de litio. Para productos con baterías de litio puede reducirse el tiempo a 60 minutos.

Además de la implementación de planes pre y post incidentes de acuerdo a la ficha técnica 10-1.

En Resumen

Como podemos observar, la información para la protección de baterías de iones de litio está en investigación y día a día se va incrementando. Actualmente, una de las grandes ventajas es la facilidad de obtener información, dentro del ámbito de los sistemas de rociadores automáticos contra incendio; incluso los foros de discusión son de gran beneficio, pues es muy probable que en algún otro punto a alguien más ya se le presentó una situación similar.

Al realizar un diseño, una de las principales bases para nosotros, como diseñadores, es con qué normativa debe de cumplir la protección del edificio. NFPA aún no ha incluido bases para diseñar este tipo de almacenamiento, sin embargo, hace la invitación a los propietarios a consultar a ingenieros calificados, ya que los profesionales pueden comprender los riesgos y ofrecer una buena y razonable solución de protección para mitigar el fuego. Por su parte, FM ya incluye bastantes lineamientos desde enero de 2023.

En ambos casos, los puntos más importantes a considerar en un diseño para protección de baterías de litio son:

Altura de almacenamiento.

Altura del edificio.

Carga de las baterías y su empaque.

Tiempo de suministro de agua.

Podemos agregar la revisión de la temperatura ambiente en el almacén, con el fin de minimizar el riesgo de inflamación por defectos y fallas internas y la separación entre las baterías de iones de litio y otros posibles productos almacenados. También es importante mencionar la inspección de todas las baterías de litio y retirar todas las que muestren evidencia de daño físico o mecánico.

INGENIERA DE PROYECTOS PARA BAJA DESIGN ENGINEERING, CON EXPERIENCIA EN DISEÑO E INSTALACIÓN DE SISTEMAS CONTRA INCENDIO DESDE 2009