Por exemplo, fiabilidade, tamanho e peso, além de algumas vantagens menos conhecidas, como a manutenção reduzida, um sistema de climatização mais pequeno e o acesso a informações de monitorização da bateria.
As baterias de iões de lítio podem ser instaladas em espaços concebidos para baterias de chumbo-ácido, e os novos centros de dados podem ser concebidos especificamente para tirar partido do tamanho mais pequeno e do peso mais leve das baterias de iões de lítio. Por outro lado, existe muita informação negativa e alarmista na imprensa sobre as baterias de iões de lítio.
Algumas destas informações negativas podem gerar incerteza para os responsáveis, as autoridades competentes ou os comités encarregados de definir normas, o que pode levá-los a abandonar as baterias de iões de lítio, apesar das inúmeras vantagens que estas oferecem.
Fundo
Existe uma falta de compreensão em torno do termo "iões de lítio", que é na realidade um "termo genérico" utilizado para designar diferentes tipos de baterias, com propriedades diferentes (ver Figura 1).
O mundo das baterias de iões de lítio é regido por siglas de três letras, cada uma delas designando a mistura química do cátodo primário ou o material ativo do ânodo. Exemplos incluem:
NCA
(Utilizado pela Panasonic em baterias para o setor automóvel e pela Saft em baterias para uso espacial).
NMC
(Utilizado pela Samsung, SKI e CATL nas suas baterias para o setor automóvel e pela Saft em aviões militares e carros de corrida de Fórmula 1).
LFP
(Utilizada por muitos fabricantes chineses de baterias em autocarros elétricos e pela Saft, com a sua tecnologia patenteada SLFP, em baterias de reserva, data centers, marítimas, de mobilidade e de grau militar 6T).
Cada um destes tipos de bateria pode ser subdividido em composição química exata, construção mecânica e processos de fabrico, e cada um destes aspetos define funções importantes da célula de iões de lítio e deve ser melhor compreendido antes de se avançar.
O termo óxido metálico é utilizado como sinónimo de óxido metálico para indicar células NCA, NMC, LMO ou LCO. O termo fosfatos é utilizado como sinónimo de fosfatos de ferro e fosfatos de manganês para indicar células LFP, SLFP ou LMFP.
Composição química
Óxidos metálicos
Os óxidos metálicos são os materiais catódicos de iões de lítio com maior densidade energética e incluem:
Óxido de lítio, níquel, cobalto e alumínio (LiNiCoAlO2)
Óxido de lítio, níquel, manganês e cobalto (LiNiMnCoO2)
Óxido de lítio e manganês (LiMn2O4)
Óxido de lítio-cobalto (LiCoO2)
Podem ser misturadas diferentes percentagens de cada material activo para alterar ligeiramente o desempenho; contudo, onde existem vantagens, também existem desvantagens que devem ser compreendidas. Por exemplo, o NCA tem uma densidade de energia mais elevada e é o mais volátil, mas a volatilidade pode ser atenuada pela mistura com uma proporção de NMC, que tem uma densidade de energia mais baixa, mantendo ainda uma densidade de energia relativamente elevada. O LMO é frequentemente misturado com NMC, uma vez que o LMO é bom para fornecer mais potência e o NMC é bom para energia, mas o LMO não tem um bom desempenho em aplicações cíclicas ou de alta temperatura.
Como o próprio nome indica, estes óxidos contêm oxigénio. Isto significa que, em caso de curto-circuito interno que provoque fuga térmica, estas células podem atingir temperaturas superiores a 800 °C, ou mesmo 1000 °C (ver Figura 2 para mais detalhes), tornando praticamente impossível extinguir o incêndio utilizando sistemas tradicionais de supressão de incêndios que reduzem o oxigénio.
Fosfatos de ferro
Os fosfatos de ferro são geralmente preferidos por oferecerem maior segurança do que os óxidos metálicos. Os fosfatos têm uma vida útil muito longa, atingindo facilmente uma vida útil natural planeada de 20 anos, apresentam um bom desempenho e podem ser utilizados a temperaturas mais elevadas. Os principais materiais catódicos são:
Fosfato de ferro LFP (LiFePO4)
SLFP Super Fosfato de Ferro (LiFePO4)
A densidade energética dos fosfatos é aproximadamente 30% inferior à dos óxidos metálicos (20% da voltagem e 10% da capacidade da célula). Isto significa que uma bateria de fosfato de ferro-lítio, que geralmente custa menos a fabricar do que uma bateria de óxido metálico, será ainda mais cara com base no custo simples por unidade de energia [4].
Os fosfatos não contêm oxigénio que possa ser libertado em caso de incêndio (a ligação fosfato é muito forte) e, por isso, apresentam temperaturas muito mais baixas, cerca de 200 a 250 °C, tornando a propagação de uma célula para outra significativamente menos provável (ver Figura 4).
Baterias
As baterias não são células individuais. Uma bateria de iões de lítio é um conjunto de células com alguns circuitos de proteção e comunicação. A maioria das baterias de UPS consiste em módulos, que são grupos de células, juntamente com alguns circuitos de monitorização. Estes módulos são depois montados num rack, juntamente com circuitos de monitorização, circuitos de comutação e eletrónica de comunicação.
Ao nível do sistema, existem normalmente componentes adicionais, como o módulo de gestão de bateria local (BMM), responsável pela segurança dentro de cada armário de bateria e incluindo componentes de comutação de segurança; e um mestre global (MBMM), que neste exemplo inclui também um PLC (controlador lógico programável) e contactos livres de potencial, e é responsável pela comunicação interna com todos os armários ligados em paralelo para formar um sistema de baterias, bem como com a UPS e outras aplicações externas, como sistemas de informação de edifícios, para exibir a informação da bateria. A Figura 7 mostra alguns detalhes de um invólucro de bateria de iões de lítio de 480 V. Contém 11 módulos ligados em série, bem como um sistema integrado de gestão de baterias: o módulo de gestão de baterias (BMM) e o BMM mestre (MBMM).
Figura 7: Uma bateria Flex’ion™ em modo de espera, já instalada, num armário ou bastidor.
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Fiabilidade em aplicações críticas As baterias, que serão utilizadas nos sistemas UPS dos centros de dados, têm uma finalidade diametralmente oposta à das baterias de alta energia utilizadas nos sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS). Isto significa que foram concebidas de forma diferente, com requisitos distintos, dependendo da função principal da bateria. As baterias utilizadas nos sistemas UPS (Sistemas de Alimentação Ininterrupta) nos centros de dados têm uma finalidade diametralmente oposta à das baterias de alta energia utilizadas nos sistemas BESS (Sistemas de Armazenamento de Energia em Baterias). Isto significa que são concebidas de forma diferente e têm requisitos distintos, dependendo da função principal que a bateria deve desempenhar. |
Num sistema de armazenamento de energia em baterias (BESS), o principal objetivo da bateria é gerar receitas, tornando-a um ativo de alto valor do qual se esperam lucros. Num sistema de alimentação ininterrupta (UPS), o principal objetivo é garantir que os sistemas UPS permanecem online durante o tempo suficiente para que os sistemas de reserva secundários (geralmente geradores a diesel) se liguem e forneçam energia elétrica até que a energia da rede seja restabelecida.
BMS
Um bom BMS (sistema de monitorização de baterias) possui múltiplas camadas de proteção baseadas em software (firmware) e hardware (componentes elétricos de medição e comutação).
A tensão de cada célula deve ser monitorizada, pois reage mais rapidamente que a temperatura e é um indicador de segurança mais fiável. Em sistemas de alta energia para sistemas de armazenamento de energia (ESS) ou aplicações automóveis, é comum utilizar células em paralelo; isto reduz os custos do sistema de gestão de baterias (BMS), mas aumenta o risco.
Monitorizar a temperatura das células também é importante, seja por segurança, desempenho ou longevidade. O aumento da temperatura da célula durante o carregamento ou descarregamento, em comparação com o ponto de partida, determinará também a autonomia (tempo máximo de descarga), bem como a potência máxima que pode ser extraída.
O BMS deve ser desenvolvido de acordo com a norma IEC 61508 (Segurança funcional de sistemas elétricos/eletrónicos, sistemas programáveis relacionados com a segurança eletrónica), UL 991 (Norma para o teste de controlos relacionados com a segurança que empregam dispositivos de estado sólido) e UL 1998 (Norma para software em componentes programáveis) e ter um SIL (nível de integridade de segurança) [7] de pelo menos 1.
Segurança contra incêndios em edifícios
Existem muitas normas e diretrizes diferentes que regem a segurança contra incêndios das baterias instaladas no interior dos edifícios. Para maior clareza, este documento aborda principalmente o IFC 2018, Quarta Impressão, Capítulo 12 [8], e o UL 9540A [9].
A maioria dos sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) são instalados em contentores fora do edifício principal, enquanto a maioria das baterias de sistemas de alimentação ininterrupta (UPS) tende a ser instalada perto da aplicação de missão crítica ou perto do UPS dentro do centro de dados.
Teoricamente, a certificação UL 9540A permite à Autoridade Competente (AHJ) aprovar conteúdos energéticos ilimitados e sem restrições de espaço. No entanto, existem nuances que devem ser consideradas criticamente. Qual foi o desempenho do produto em causa? Em que fase ou temperatura ocorreu a propagação térmica e o colapso térmico? Quando é que as células libertaram gases e quando sofreram colapso térmico? Houve chamas ou desmontagem rápida das células?
As células à base de óxido, mesmo aquelas com menor conteúdo energético e, portanto, consideradas de menor risco, passaram nos testes de nível de sistema da norma UL 9540A, apesar da propagação de células para células e de módulos para módulos, combustão, fuga térmica em segundos após a libertação de gases e subsequente desmontagem rápida. As células à base de fosfato da Saft passaram os testes da norma UL 9540A sem propagação de células para células, sem chamas e com vários minutos entre a libertação de gases e a fuga térmica (isto permite que os sistemas de deteção tenham tempo suficiente para detetar gases eletrolíticos e acionar um alerta).
Um sistema à base de fosfato que não sofra propagação de célula para célula produzirá uma fracção dos gases e do calor em comparação com um sistema à base de óxido, que sofre propagação de célula para célula e de módulo para módulo, chamas e rápida desmontagem, exigindo, portanto, um sistema de supressão de incêndios. Um sistema à base de fosfato pode ser instalado sem propagação de célula para célula e sem sistemas de supressão de incêndios, mesmo dentro de um edifício; um detetor de fumo deve ser suficiente. Isto torna um sistema à base de fosfato consideravelmente mais seguro para instalação no interior.
As células de combustível de óxido em regime de fuga térmica produzem significativamente mais (>40%) hidrogénio e HF do que as células de combustível de fosfato, por célula. Um sistema que sofre propagação de célula para célula, provavelmente produzirá uma quantidade exponencialmente maior de H₂ e HFdo que um sistema de fosfato que não sofre propagação de célula para célula (centenas de células versus uma única célula).
Conclusão
As baterias de iões de lítio oferecem muitas vantagens para os proprietários e operadores de centros de dados: são mais pequenas, mais leves, duram mais tempo, podem operar a temperaturas mais elevadas e requerem significativamente menos manutenção. Existem muitos tipos diferentes de baterias de iões de lítio, pelo que a seleção cuidadosa é crucial.
Os centros de dados contêm uma quantidade significativa de equipamento eletrónico e dados sensíveis. Estes equipamentos são suscetíveis a danos causados por sistemas de supressão de incêndios à base de água, o que significa que muitos centros de dados utilizam sistemas de supressão de incêndios à base de oxigénio em substituição do gás (por exemplo, nitrogénio ou halon).
Os incêndios em baterias de iões de lítio à base de óxido metálico não podem ser extintos com um sistema de redução de oxigénio, mas os sistemas à base de fosfato podem, embora tal possa não ser necessário devido à pequena quantidade de gás produzida e às temperaturas mais baixas envolvidas.
Considerando o conteúdo energético total, o equilíbrio cuidadoso entre os sistemas de alta, média e alta potência, em comparação com a composição química, pode também ajudar a reduzir o risco (fosfato de alta potência = menor risco; óxido de alta energia = maior risco).
Por conseguinte, as baterias de iões de lítio à base de óxido metálico não devem ser instaladas dentro do edifício principal do data center; em vez disso, devem ser instaladas no exterior do edifício, talvez num contentor a uma distância segura, que possa ser deixado arder completamente.
Caso as baterias sejam instaladas no interior do edifício, a utilização de baterias de iões de lítio permite que a maioria dos sistemas de supressão de incêndios baseados na redução de oxigénio sejam utilizados no local, sendo necessário instalar um sistema de extração de ar adequado, caso ainda não exista.
Embora não seja perfeita, a norma UL 9540 pode ser útil para a resolução de problemas críticos de propagação entre células e entre módulos. Prevenir a propagação o mais cedo possível resultará na melhor solução de iões de lítio para um data center ou outra aplicação de missão crítica.
Autor: Gareth Hackett (Saft)
