Desafíos de seguridad y análisis de riesgos de los sistemas de almacenamiento de energía en el hogar

8 de mayo de 2025

Problemas de seguridad del sistema energético

Con el desarrollo de las energías renovables, los sistemas de almacenamiento de energía se utilizan cada vez más en los sistemas eléctricos. Sin embargo, los problemas de seguridad de estos sistemas también han cobrado importancia.

Existen muchos tipos de baterías de almacenamiento de energía, incluidas las baterías de plomo-ácido y las baterías de iones de litio, baterías de iones de sodioLas baterías de flujo y las baterías de sodio-azufre, cada una con sus propias características y aptas para diferentes escenarios, se han convertido en la opción técnica principal en el campo del almacenamiento de energía gracias a su alta densidad energética, larga vida útil, alta eficiencia y rápida respuesta. Las baterías de iones de litio de 48 V, 60 V y 72 V se utilizan ampliamente en vehículos eléctricos., electrónica de consumo y sistemas de energía a gran escala, promoviendo el desarrollo de tecnologías y aplicaciones relacionadas.

Sin embargo, las baterías de iones de litio también presentan algunos desafíos importantes, especialmente en cuanto a la estabilidad térmica. Las baterías de iones de litio pueden experimentar fugas térmicas en condiciones extremas, como altas temperaturas, sobrecarga o cortocircuito, lo que provoca incendios o... Explosión de batería de litioEstos riesgos de seguridad hacen que las baterías de iones de litio presenten un alto riesgo de explosión en los sistemas de almacenamiento de energía, convirtiéndose en una de las principales causas de accidentes de seguridad.

Según estadísticas incompletas, en los últimos cinco años (2019 a 20241), ocurrieron docenas de incendios o explosiones en centrales eléctricas de almacenamiento de energía en todo el mundo. Entre ellos, los accidentes causados por baterías de iones de litio representaron hasta el 80%. Estos accidentes no solo causaron pérdidas materiales, sino que también pueden poner en peligro la seguridad personal, lo que provocó una amplia atención e investigación sobre la seguridad de las baterías de iones de litio. Para enfrentar este desafío, la industria está explorando activamente soluciones técnicas para mejorar la estabilidad térmica de las baterías de iones de litio y desarrollando nuevas tecnologías de baterías de almacenamiento de energía para lograr una mayor seguridad y confiabilidad.

Informe de análisis de accidentes del proyecto de la central eléctrica integrada de almacenamiento y carga fotovoltaica de 25 MWh de CC de Beijing Jimei Dahongmen de EPRI

Según el Informe de Accidentes de Incendios y Explosiones en la Central Eléctrica de Almacenamiento de Energía del Distrito Fengtai de Beijing del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica de China, la Central Eléctrica Jimei Dahongmen de Beijing sufrió un accidente el 16 de abril. El informe enumera ocho razones del accidente:

Calidad de seguridad de las baterías de almacenamiento de energía
Topología eléctrica del sistema de almacenamiento de energía
Sistema de gestión de batería (BMS)
Disposición in situ de cables y arneses de cableado
Diseño de prevención de incendios de centrales eléctricas
Sistemas de monitorización, alerta temprana y extinción de incendios de centrales eléctricas
Factores meteorológicos y ambientales
Sistema de operación y gestión de personal en sitio

Con base en los incidentes reportados, las causas de accidentes de seguridad en sistemas de almacenamiento de energía pueden categorizarse generalmente en cuatro tipos principales: riesgos inherentes a la batería, riesgos de seguridad externos, diseño y protección de seguridad insuficientes y factores de gestión operativa.

1. Riesgos inherentes a la seguridad de la batería:

Defectos de fabricación: Los cortocircuitos internos pueden deberse a problemas como rebabas metálicas o un recubrimiento deficiente de los electrodos durante la producción.
Dendritas de litio: La formación de dendritas de litio dentro de la célula puede perforar el separador, provocando cortocircuitos internos.
Envejecimiento de la batería: el envejecimiento natural de las baterías puede comprometer la seguridad general del sistema de almacenamiento de energía.

2. Riesgos de seguridad externos:

Peligros eléctricos: Estos incluyen sobrecarga, descarga excesiva y cortocircuitos externos.
Peligros mecánicos: Daños causados por aplastamiento o penetración (por ejemplo, de objetos afilados).
Peligros electromagnéticos: La interferencia electromagnética puede interrumpir el funcionamiento normal del sistema.
Peligros térmicos: Las temperaturas excesivamente altas o bajas pueden afectar negativamente el rendimiento y la seguridad de la batería.
Peligros de explosión: En determinadas condiciones, las baterías pueden explotar.
Condiciones ambientales inadecuadas: Las condiciones ambientales adversas pueden suponer graves riesgos de seguridad para el sistema de almacenamiento de energía.

3.Diseño de seguridad y protección insuficientes:

Monitoreo inadecuado del aislamiento: una protección de aislamiento insuficiente (como averías en el contactor de CC, fallas en el aislamiento de las barras colectoras o cableado de entrada de CA quemado) puede degradar el rendimiento del aislamiento y provocar fallas de arco e incendios.
Mala coordinación de protección del sistema: una coordinación ineficaz entre los sistemas de protección puede comprometer la seguridad general.
Fallas de control del sistema: Las fallas en la gestión térmica u otros sistemas de control pueden provocar sobrecalentamiento o incendios en la batería.
Mal funcionamiento de los equipos auxiliares: Las fallas en los dispositivos auxiliares también pueden afectar la seguridad general del sistema de almacenamiento.

4. Factores del sistema operativo y de gestión:

Falta de coordinación entre sistemas: La comunicación y coordinación insuficientes entre el Sistema de Gestión de Baterías (BMS), el Sistema de Gestión de Energía (PMS) y el Sistema de Gestión de Energía (EMS), o la falta de coordinación entre el Sistema de Control de Procesos (PCS) y los sistemas de protección de baterías, pueden causar conflictos a nivel de sistema. Por ejemplo, reiniciar el PCS sin comprobar el estado de la batería después de una falla puede provocar problemas en la interfaz CA/CC.
Fallas del sistema de gestión: estas incluyen marcos de gestión defectuosos, control ambiental deficiente (por ejemplo, humedad o polvo excesivos) e informes de fallas inadecuados, que pueden retrasar el mantenimiento y aumentar los riesgos de seguridad.
Operación y mantenimiento inadecuados de las centrales de almacenamiento de energía: una gestión y un mantenimiento deficientes después de la implementación pueden generar problemas operativos no resueltos que podrían derivar en graves riesgos de seguridad.

Identificación de riesgos en sistemas de almacenamiento de energía

Peligro de fuga térmica

La fuga térmica se refiere a una condición en la que la tasa de generación de calor interno de una batería excede significativamente su tasa de disipación. Esto provoca una rápida acumulación de calor dentro del sistema, que no puede liberarse eficazmente, lo que finalmente provoca una pérdida de control de la temperatura y puede provocar incendios o explosiones.

El proceso de desbordamiento térmico de una batería suele ser el siguiente: la celda individual genera un autocalentamiento excesivo debido al abuso mecánico o eléctrico. Este fenómeno de sobrecalentamiento provoca un aumento de la temperatura de la batería y la entrada en la fase de abuso térmico, lo que desencadena el desbordamiento térmico. Este proceso libera gases inflamables y humo, la batería comienza a arder y desencadena una reacción en cadena que puede provocar un incendio o incluso una explosión en la central eléctrica de almacenamiento de energía.

Además del envejecimiento de la batería y los defectos internos, los siguientes factores también pueden contribuir al descontrol térmico:

Sobrecarga o descarga excesiva: cargar o descargar la batería más allá de sus límites operativos diseñados.
Falla crítica de conexión: Falla en los puntos de conexión eléctrica, lo que genera posibles riesgos de seguridad.
Falla del sistema de gestión: el sistema de gestión de la batería (BMS) no logra supervisar y controlar eficazmente el estado de la batería.
Defectos de fabricación: Problemas como cortocircuitos internos u otros defectos durante el proceso de fabricación.
Envejecimiento de la batería: con el tiempo, el rendimiento de la batería se degrada, lo que puede provocar cortocircuitos internos u otras fallas.
Falla de los dispositivos de protección celular: Los dispositivos de protección pueden deformarse o fallar, comprometiendo la seguridad de la batería.
Operación a alta o baja temperatura: Condiciones de temperatura extremas que afectan negativamente la seguridad y el rendimiento de la batería.
Deformación y fugas de la batería: Deformación de la carcasa de la batería o fuga de líquidos internos.
Fuga de gas o liberación de gases combustibles: Durante la combustión, las baterías pueden liberar gases inflamables, lo que supone riesgos adicionales.

Peligros electricos

Los riesgos eléctricos son uno de los riesgos de seguridad más graves en los sistemas de almacenamiento de energía. A medida que la capacidad y el voltaje de los sistemas de almacenamiento de energía siguen aumentando, el voltaje del sistema ha aumentado gradualmente desde niveles bajos hasta 1500 V CC. En seguridad eléctrica, cualquier voltaje superior a 60 V CC se considera peligroso, y el contacto accidental con componentes activos puede provocar riesgos de descarga eléctrica.

Por lo tanto, los sistemas de almacenamiento de energía deben contar con medidas de aislamiento eléctrico eficaces para evitar el contacto directo o indirecto con los componentes eléctricos durante su funcionamiento. Por ejemplo, el riesgo de descarga eléctrica que supone una reducción de la resistencia de aislamiento. Esta indica la integridad de los materiales aislantes; cuando los cables o conexiones sufren daños, envejecimiento o degradación de la capa de aislamiento, esta puede disminuir. En estos casos, los daños en la capa de aislamiento pueden exponer los conductores internos de los cables, lo que provoca corrientes de fuga. Esta fuga aumenta el riesgo de descarga eléctrica para el personal de mantenimiento.

Además, los sistemas de almacenamiento de energía suelen contener una gran cantidad de dispositivos eléctricos auxiliares, y el entorno de instalación suele ser complejo. Eventos inesperados, como alta tensión, corrientes elevadas (p. ej., rayos o sobretensiones), o el envejecimiento de equipos y cables que provoque fallos en los elementos de protección, pueden provocar un mal funcionamiento de las funciones de protección o un aislamiento anormal, lo que puede provocar descargas eléctricas y otros incidentes de seguridad.

Peligros de seguridad funcional: La seguridad funcional es una parte importante de la seguridad del sistema de almacenamiento de energía, debido a los riesgos ocasionados por el fallo o avería de los equipos controlados y sus sistemas relacionados.

Entorno de trabajo inadecuado:

Evaluación de riesgos de los sistemas de almacenamiento de energía

La seguridad de los sistemas de almacenamiento de energía es un tema integral y complejo que se aplica a todo el ciclo de vida de los sistemas de almacenamiento de energía electroquímica, es decir, desde la etapa de diseño conceptual y desarrollo del sistema de almacenamiento de energía, la etapa de fabricación del sistema, la etapa de operación y uso del producto, la etapa de servicio y mantenimiento hasta la etapa final de desmantelamiento.

Los riesgos de seguridad de los sistemas de almacenamiento de energía pueden depender de muchos factores, como la ubicación de la instalación, la composición química y el tamaño/escala (como la electricidad), y deben evaluarse en consecuencia. La ubicación segura de...Los sistemas de almacenamiento de baterías de energía solar pueden utilizarse para uso doméstico., Aplicaciones industriales y comerciales para sistemas a gran escala para la red;Estos riesgos deben evaluarse en consecuencia.

Para el análisis de riesgos del sistema, la norma IEC 62933-5-1 ofrece diversos métodos: análisis descendente y ascendente, como el análisis FMEA común, el análisis de árbol de fallos, el análisis HAZOP y el análisis STAMP. Mediante una serie de métodos de análisis para identificar riesgos potenciales, y posteriormente, mediante el diseño del sistema de seguridad y el desarrollo del circuito electrónico del mecanismo de protección, se reducen las medidas para alcanzar un nivel aceptable.

Medidas de mitigación de riesgos para sistemas de almacenamiento de energía (ESS)

Las cuestiones de seguridad son cruciales para la calidad del producto, y garantizar la seguridad de los sistemas de almacenamiento de energía se ha convertido en un reto importante para el desarrollo sostenible de la industria. Debido a la particularidad de los productos de almacenamiento de energía, su seguridad debe lograrse combinando múltiples funciones de seguridad. Como se describe en la Guía ISO/CE 51, las medidas de reducción de riesgos adoptadas en el proceso de diseño de almacenamiento de energía son «inherente», «diseño de seguridad», «dispositivos de protección» e «información al usuario final». La Guía ISO/CE 51 también describe medidas adicionales para la fase de uso (gestión de la seguridad del ciclo de vida).

El diseño de sistemas de almacenamiento de energía no solo debe partir del nivel técnico del sistema y sus componentes, sino que también debe considerar cómo predecir e identificar riesgos potenciales con antelación, brindar protección activa y resolver problemas de forma anticipada cuando se producen fallos. Incluso en casos extremos de accidentes, puede proporcionar una capacidad ascendente para garantizar la seguridad del personal y los bienes.

Diseño de seguridad intrínseca para sistemas de almacenamiento de energía (ESS)

Selección razonable de subsistemas
Diseño de la función de protección
Diseño de seguridad de la función del sistema
Diseño estructural
Diseño electrico
Diseño de protección contra incendios
Diseño de ventilación y alivio de explosiones, etc.

Medidas de garantía y protección

Los fallos internos de los subsistemas no pueden propagarse al exterior del subsistema;
Sistema de alto voltaje, evita operaciones peligrosas a distancia;
Todos los componentes con tensión peligrosa debido a fallos de aislamiento individuales deben estar conectados a tierra y protegidos contra rayos de acuerdo con las normas pertinentes;
Se debe proporcionar protección contra sobrecorriente en la conexión externa del subsistema de batería;
Los fallos de conexión de los subsistemas del sistema de almacenamiento de energía no deben provocar situaciones peligrosas, y la carga y descarga de las baterías debe realizarse mediante equipos de elevación adecuados;
La carcasa o soporte del sistema debe estar hecho de materiales no combustibles; El área de la batería, el área del equipo de carga y el área del circuito de desconexión y descarga deben estar divididas en zonas ignífugas dentro del sistema;
Protección contra fallas del sistema auxiliar, de control y de comunicación: debe cumplir con la seguridad de falla única, no ocurrirá ningún peligro incluso si la fuente de alimentación se interrumpe o fluctúa;
Protección contra riesgos ambientales: los sistemas de almacenamiento de energía al aire libre deben cumplir al menos IPX4 y se requiere protección contra la niebla salina para su instalación cerca del mar;
Tanto el lado de CC como el de CA deben tener protección contra fallas a tierra y funciones de alarma;
Debe haber una alarma audible y visual cuando la batería está sobrecargada: se debe informar la situación de sobrecorriente dentro del subsistema de la batería;
El sistema debe estar equipado con un sistema de detección de gases combustibles y proporcionar alarmas audibles y visuales;
El sistema debe estar equipado con un sistema de ventilación y cumplir los siguientes requisitos: El sistema de ventilación debe garantizar la temperatura adecuada dentro del gabinete: se debe proporcionar un extractor fuerte cuando la ventilación natural sea insuficiente; las rejillas de ventilación deben ser capaces de evitar la propagación del fuego y la entrada de agua;

Operación y mantenimiento, capacitación de empleados, información proporcionada a los usuarios finales

Información de seguridad proporcionada a los usuarios: señales y letreros de advertencia, etiquetas que indican partes peligrosas en el sitio, dispositivos de alarma de sonido y luz, diagrama de flujo del proceso de diseño de seguridad;
La operación en el sitio debe tener prioridad sobre la operación remota para proteger la seguridad de los trabajadores en el sitio: se debe preparar un plan de emergencia de seguridad; se debe proporcionar protección contra sobrecorriente en la conexión externa del subsistema de batería;
Se deben proporcionar manuales de operación y mantenimiento al propietario, y el fabricante o integrador del sistema debe desarrollar un plan de mantenimiento regular;
El fabricante debe proporcionar orientación sobre las capacidades y los requisitos de autorización del personal que opera equipos o sistemas de seguridad;