Para evitar danos graves à empresa e à sua reputação, a fiabilidade e o desempenho das baterias são essenciais. As baterias de iões de lítio são ideais para esta função crítica, demonstrando uma clara vantagem em relação às baterias VRLA (chumbo-ácido reguladas por válvula).
Um ponto importante a salientar acima de tudo é que "iões de lítio" é um termo genérico para toda uma família de baterias cuja electroquímica varia consideravelmente. Especificar a química, o design e a configuração mais adequados é fundamental para alcançar as características ideais da bateria para cada aplicação. Para os data centers, isto inclui maximizar a segurança.
Por que razão as baterias de iões de lítio são melhores?
A tecnologia de iões de lítio é mais fiável e oferece um desempenho significativamente superior. O seu custo total de propriedade (TCO) é mais baixo, graças a uma combinação de uma longa vida útil, manutenção mínima, elevada eficiência energética e tolerância a temperaturas mais elevadas. Em comparação, a fiabilidade e a vida útil das baterias VRLA são drasticamente reduzidas a temperaturas elevadas, o que, por sua vez, significa mais refrigeração, maior consumo de energia e aumento das emissões de CO2 . A elevada densidade energética permite também uma maior poupança em ativos e infraestruturas. Por serem mais pequenos e seis vezes mais leves, ocupam menos espaço e requerem menos suporte estrutural. Quando necessário, descarregam energia rapidamente para satisfazer as exigências do UPS. Entre interrupções, recarregam rapidamente, estando prontas para a próxima emergência. Uma vez que os seus sistemas de monitorização e gestão eletrónica são facilmente integrados no edifício, os operadores têm pleno conhecimento do seu estado e disponibilidade. Em todos os momentos, pode ter confiança no seu estado de carga (SOC) e na vida útil restante, também conhecido como estado de saúde (SOH). A sua eletrónica permite também uma fácil escalabilidade e otimização para a aplicação, em termos de tensão, potência e energia.
O que poderia correr mal?
Danos ou utilização indevida podem causar um curto-circuito numa célula de iões de lítio, o que pode desencadear uma reação em cadeia conhecida como fuga térmica. Isto produz uma grande descarga de calor que, se se propagar para as células vizinhas, pode iniciar a sua decomposição e libertar gases quentes e inflamáveis. Incidentes de fuga térmica amplamente divulgados incluem um incêndio em 2019 num sistema de armazenamento de energia de baterias no Arizona e a fuga do apresentador de televisão Richard Hammond de um carro em chamas em 2017 durante as filmagens de The Gran Tour para a Amazon. É importante realçar que a especificação da bateria de iões de lítio em ambos os casos diferia das especificações recomendadas para os data centers.
Que produtos químicos são mais seguros?
Quando falamos de baterias de iões de lítio, o termo, na verdade, engloba toda uma família de substâncias químicas com diferentes características, como a vida útil, a densidade de energia e a potência, e a capacidade de operar numa ampla gama de temperaturas. Estas substâncias químicas podem ser selecionadas e até misturadas para ajustar o equilíbrio destas propriedades. A capacidade de uma bateria para gerir o desempenho e dissipar calor é também significativamente influenciada pelo seu design mecânico, elétrico e eletrónico. Existem dois tipos principais de baterias de iões de lítio, nomeadas de acordo com o material do cátodo: óxidos metálicos e fosfato de ferro. Outro grupo, com material de ânodo de titanato, é utilizado em aplicações de alta potência com ciclos frequentes de carga e descarga, como a tração ferroviária ou veículos de mineração subterrânea. Os óxidos metálicos, incluindo o óxido de alumínio-níquel-lítio-cobalto (NCA), o óxido de lítio-níquel-cobalto-manganês (NMC) e o óxido de lítio-manganês (LMO), oferecem a maior densidade de energia. São ideais para veículos elétricos, por exemplo, porque a sua química é muito ativa, mas a desvantagem é que, se ocorrer uma fuga térmica, libertam oxigénio. Este pode alimentar o fogo, permitindo que as temperaturas atinjam os 800 ou mesmo 1.000 °C. E como libertam oxigénio, os sistemas de supressão de incêndios que reduzem o oxigénio e os agentes extintores avançados, como as fluorocetonas, são ineficazes nesta situação. Os fosfatos de ferro, como o fosfato de ferro-lítio (LFP) e a tecnologia patenteada SLFP (Superfosfato de Ferro-Lítio) da Saft, são inerentemente muito mais seguros. O oxigénio nas suas moléculas de fosfato está fortemente ligado e não é libertado durante a combustão. Isto limita as temperaturas potenciais, em caso de fuga térmica, a cerca de 200 a 250 °C, tornando improvável a propagação entre células. A desvantagem é uma densidade de energia mais baixa (aproximadamente 30% mais baixa) e uma tensão de célula mais baixa em comparação com os óxidos metálicos, mas são ideais quando a segurança é fundamental. Oferecem ainda uma longa vida útil, mesmo a altas temperaturas, e uma boa capacidade de ciclo de descarga/recarga.
Que certificações de segurança UL e IEC se aplicam?
As normas internacionais IFC 2018 e NFPA 855 para a segurança contra incêndios em edifícios visam reduzir o risco limitando o conteúdo energético das baterias de iões de lítio a 20 kWh por sistema ou 600 kWh por instalação. Requerem também um espaço de ar de aproximadamente um metro entre os armários. No entanto, muitos operadores de data centers necessitam de sistemas maiores. A aprovação para conteúdo energético ilimitado, sem espaços de ar, pode ser obtida através da aprovação no rigoroso teste de potencial de fuga térmica UL 9540A. Testes de alguns sistemas de óxidos metálicos, reportados nos registos de testes UL 9540A, mostraram propagação de calor entre células e entre módulos, chamas, fuga térmica e até ejeção de pequenos componentes internos das células. Em contraste, o sistema Flex'ion da Saft passou o teste UL 9540A sem propagação de calor entre células ou ignição em condições semelhantes. Durante um incidente, os sistemas à base de fosfato libertam quantidades significativamente menores de gases combustíveis e outros gases nocivos, e estes gases permanecem mais frios, permitindo uma remoção mais fácil e segura por parte dos sistemas de extração de gases. Para maior segurança, o sistema de bateria de iões de lítio possui certificação UL 1973, foi aprovado no teste IEC 62619 e está em total conformidade com a norma IEC 62485-5.
Qual o papel da gestão de baterias na segurança?
Para além da sua eletroquímica, existem diferenças físicas entre os sistemas de baterias de iões de lítio que afetam as suas propriedades. Cada bateria de iões de lítio consiste numa série de células, juntamente com um circuito elétrico para o sistema de gestão da bateria (BMS), tudo dentro de uma caixa de proteção.
O BMS (Sistema de Gestão de Edifícios) é de vital importância para otimizar a segurança, a fiabilidade e o custo total de propriedade
Um bom sistema de gestão de baterias (BMS) monitoriza a tensão em cada célula individual, bem como o seu estado de carga, integridade e condições de funcionamento seguras. Ao controlar a carga e a descarga ao nível da célula, as temperaturas da bateria são equilibradas para maximizar a sua vida útil, uma vez que a temperatura está intimamente relacionada com o envelhecimento da bateria. O sistema deve também monitorizar e gerir a temperatura das ligações de energia, que pode ser superior à temperatura da célula durante a descarga. Cada armário possui um módulo de gestão de baterias (BMM) para monitorizar vários módulos de baterias. No entanto, durante a expansão, o BMS pode combinar vários BMM em múltiplos armários para estabelecer um módulo mestre de gestão de baterias (MBMM), que regula todo o sistema.
Quais as diferenças entre as baterias de UPS e as utilizadas noutras aplicações?
os sistemas de baterias de iões de lítio utilizados em aplicações de UPS para data centers devem ser concebidos especificamente para este fim. O seu principal objetivo é muito diferente do de um sistema de armazenamento de energia em baterias (BESS), por exemplo. As baterias de um BESS são ativos geradores de receitas que precisam de ser protegidos, pelo que o seu sistema de gestão de baterias (BMS) impede que sejam totalmente descarregadas — um estado do qual as baterias de iões de lítio não conseguem recuperar. Já as baterias UPS para data centers existem para proteger a empresa, garantindo a continuidade do fornecimento de energia. Se necessário, o BMS permitirá uma descarga completa para obter alguns segundos extra vitais de energia numa emergência, mesmo que isso signifique sacrificar a vida útil da bateria. A energia de reserva e a segurança não devem ser comprometidas.
Artigo escrito por Gareth Hackett, especialista em tecnologia de iões de lítio da Saft.
