Riesgos de incendio y explosión en centrales de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio: análisis y estrategias de prevención

Con la aplicación generalizada de baterías de iones de litio en centrales eléctricas de almacenamiento de energía electroquímica, los incendios y explosiones se han vuelto cada vez más frecuentes. Para investigar a fondo las causas subyacentes de estos accidentes, un estudio analizó 90 incendios y explosiones en centrales eléctricas de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio ocurridos en todo el mundo entre noviembre de 2017 y septiembre de 2024.

El análisis se centró en cuatro aspectos clave: tipo de batería, país de ocurrencia, estado operativo de la estación y factores causales. Los resultados indican que las baterías ternarias de litio son significativamente más propensas a provocar incendios y explosiones, con una tasa de ocurrencia 2,5 veces mayor que la de las baterías de fosfato de hierro y litio.

Estos hallazgos subrayan un mensaje claro para la industria de almacenamiento de energía: a medida que las baterías de iones de litio continúan utilizándose ampliamente, priorizar el diseño centrado en la seguridad y la selección de materiales se vuelve esencial.

En este contexto, las baterías de estado sólido ofrecen un futuro prometedor. Su inherente mayor estabilidad térmica y la menor probabilidad de fugas o combustión las hacen especialmente adecuadas para aplicaciones de almacenamiento de energía a gran escala.

La elección de tecnologías de baterías intrínsecamente más seguras es fundamental para garantizar la seguridad de las centrales eléctricas de almacenamiento de energía durante todo su ciclo de vida. Este es precisamente el punto de partida de todos los diseños de productos e innovaciones tecnológicas de Super Power.

Resultados estadísticos y análisis de causas de accidentes

El análisis estadístico de los incidentes muestra que los incendios y las explosiones a veces ocurren secuencialmente. Por lo tanto, este estudio clasifica las consecuencias en tres tipos: incendios, explosiones e incendios-explosiones, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1 Distribución del tipo de batería en accidentes

Entre 85 incidentes en centrales de almacenamiento de energía con tipos de baterías conocidos, 61 fueron causados ​​por baterías ternarias de litio, lo que representa aproximadamente el 71,8%.

Las baterías ternarias de litio presentan una menor estabilidad térmica, lo que las hace más susceptibles a las fugas térmicas. También presentan un mayor riesgo de incendio, ya que las fugas térmicas se propagan con mayor rapidez y liberan mayores cantidades de gases inflamables durante estos eventos.

En conjunto, estos factores indican que las baterías ternarias de litio plantean riesgos significativamente mayores que las baterías de fosfato de hierro y litio en términos de estabilidad térmica, riesgos de incendio y potencial de explosión.

A diferencia de las baterías ternarias de electrolito líquido de alto riesgo analizadas en el informe, los productos principales de Super Power se basan en tecnología de estado sólido. Al utilizar un electrolito de polímero sólido, la empresa elimina fundamentalmente los riesgos de inflamabilidad de los sistemas líquidos convencionales. Como resultado, las baterías son intrínsecamente resistentes al fuego.

Las investigaciones demuestran que la estabilidad térmica del material del cátodo desempeña un papel decisivo en la seguridad general. En el diseño de Super Power, los materiales del cátodo y el electrolito de estado sólido trabajan en conjunto, creando una ventana de seguridad térmica mucho más amplia. Esta sinergia eleva considerablemente el umbral de fuga térmica y mejora la resiliencia del sistema en condiciones extremas.

● Estadísticas de países y análisis de causas

Figura 2 Análisis de la distribución de incidentes por país

El análisis estadístico muestra que se han reportado incidentes de incendios y explosiones en centrales de almacenamiento de energía electroquímica en Corea del Sur, Estados Unidos, China, Australia, Francia, Alemania, Bélgica, Suecia, el Reino Unido y Singapur.

El análisis de los tipos de baterías utilizadas en estos incidentes muestra que más de la mitad de los accidentes en centrales de almacenamiento de energía en Estados Unidos involucraron baterías ternarias de litio. En cambio, la mayoría de las centrales en China y los países de la UE estaban equipadas con baterías de fosfato de hierro y litio, lo que refleja una diferencia regional en las preferencias de seguridad y la adopción de tecnología.

Entre estos países, Corea del Sur registró el mayor número de accidentes, con 34 en total, lo que representa el 37,8 % del total de casos. Los informes de investigación señalan varias causas recurrentes. Los defectos en las baterías son uno de los factores principales, junto con sistemas de protección de motores inadecuados, entornos operativos deficientes, negligencia en la instalación y una gestión deficiente de las instalaciones de almacenamiento de energía.

Otro factor clave radica en el rendimiento de seguridad de las propias baterías.

En Corea del Sur, las baterías ternarias de litio se utilizan ampliamente, en gran medida porque predominan en las carteras de productos de los principales fabricantes nacionales de baterías. Sin embargo, estas baterías presentan una estabilidad térmica relativamente baja y sus sistemas de gestión no siempre son fiables.

Las deficiencias en la gestión de la batería o en los sistemas de alerta temprana pueden impedir que los operadores detecten anomalías a tiempo, lo que permite que los peligros potenciales se intensifiquen sin control.

● Estadísticas del estado operativo y análisis de causas

Las centrales de almacenamiento de energía suelen pasar por cuatro etapas clave: construcción, puesta en marcha, operación y mantenimiento. Cada etapa conlleva sus propios riesgos. Las deficiencias en la integración del sistema, la calidad de la construcción, los procedimientos de mantenimiento o la gestión de la seguridad pueden generar riesgos ocultos que no deben pasarse por alto.

Figura 3 Estadísticas del estado de los EESS en accidentes

Los informes de accidentes revelan un patrón claro. En Corea del Sur, la mayoría de los incidentes en centrales de almacenamiento de energía electroquímica ocurrieron durante la carga o en el periodo de inactividad inmediatamente posterior a la misma. Esto sugiere que un control de carga y una gestión térmica inadecuados podrían ser un factor importante.

Como muestran los datos, la mayoría de los accidentes (72 en total) representan el 80,0 % de todos los casos registrados y ocurrieron durante el funcionamiento normal. Esta alta proporción indica que la seguridad operativa sigue siendo el desafío más crítico en los sistemas actuales de almacenamiento de energía.

Los siguientes factores pueden contribuir a que se produzcan accidentes durante el funcionamiento de centrales de almacenamiento de energía electroquímica:

1. Efectos acumulativos del funcionamiento a largo plazo;

2. Impacto de ambientes de alta temperatura;

3. Fluctuaciones de carga del sistema;

4. Insuficiente fiabilidad de los sistemas de alerta temprana;

5. Alto estado de carga (SOC) que provoca sobrecarga.

El sistema de almacenamiento de energía de Super Power está construido alrededor de una arquitectura de defensa activa integral.

El diseño del BMS de tres capas permite la monitorización independiente y en tiempo real de cada celda. En la práctica, esto significa que no existen puntos ciegos en la supervisión de seguridad, lo que permite una detección más temprana y precisa de fallos como cortocircuitos internos o fluctuaciones repentinas de tensión.

La gestión térmica líquida del sistema es igualmente crucial. Un fallo del sistema de refrigeración suele considerarse el mayor factor de riesgo, y Super Power lo aborda de forma directa. Una red de refrigeración líquida perfectamente optimizada mantiene las baterías dentro de su rango óptimo de temperatura, garantizando una disipación de calor constante incluso en entornos hostiles. Esto evita la acumulación térmica y mantiene la estabilidad general del sistema.

La sobrecarga es otro peligro oculto. Mediante el control coordinado del BMS y el PCS (Sistema de Conversión de Energía), el estado de carga (SOC) de la batería se gestiona rigurosamente. Este diseño detiene la sobrecarga en su origen, protegiendo el sistema contra uno de los desencadenantes más comunes de fallos de la batería.

La tecnología de integración CTC (celda a contenedor) de Super Power no solo aumenta la densidad energética sino que también introduce un nivel de redundancia de seguridad sin precedentes.

● Diseño modular y aislamiento físico. El enfoque CTC logra un mayor grado de integración celular, al tiempo que incorpora innovadores materiales de aislamiento térmico. Dentro de cada módulo, se forma una barrera térmica eficaz. Incluso si una sola celda sufre una falla grave, el sistema puede bloquear eficazmente la transferencia de calor a las celdas adyacentes, cortando físicamente la cadena de propagación térmica.

● Sistemas duales de extinción de incendios. Cada contenedor de almacenamiento de energía Super Power está equipado con sistemas de extinción de incendios de gas y de inmersión en agua. El sistema de gas actúa con rapidez para contener incendios en fase inicial, mientras que el sistema de inmersión en agua ofrece la máxima protección en situaciones extremas. Juntos, garantizan la completa extinción de cualquier riesgo residual y el mantenimiento de la seguridad en todas las condiciones.

● Análisis de causas y factores contribuyentes a los accidentes

Las preocupaciones de seguridad en las centrales de almacenamiento de energía electroquímica son inherentemente sistémicas y los accidentes suelen surgir de la interacción de múltiples factores contribuyentes.

Figura 4 Mapa estadístico de las causas de accidentes en centrales de energía electroquímica

Los factores relacionados con el equipo se originan principalmente en las propias baterías, así como en los sistemas de protección y refrigeración del motor, incluyendo problemas de aislamiento. Los problemas específicos de las baterías suelen incluir defectos de fabricación o el envejecimiento natural con el tiempo. Los factores ambientales también pueden influir. Por ejemplo, la entrada de agua o las explosiones de calderas cercanas pueden provocar incendios en las baterías de iones de litio.

Figura 5 Factores que inducen accidentes de seguridad en sistemas de almacenamiento de energía de baterías de iones de litio y sus interacciones

Sin embargo, los factores humanos se destacan como la principal causa de accidentes en las centrales de almacenamiento de energía electroquímica. De los 90 incidentes analizados, 38 estuvieron directa o indirectamente relacionados con errores humanos, lo que representa el 43,3 % del total de casos. Esto pone de manifiesto que, a pesar de las medidas de seguridad técnicas y ambientales, las acciones de los operadores y las prácticas de gestión siguen siendo cruciales para la seguridad general del sistema.

1. Errores operativos humanos: El personal de las centrales de almacenamiento de energía electroquímica puede carecer de la capacitación adecuada, lo que da lugar a errores como operaciones inadecuadas o negligencia en los procedimientos de seguridad.

2. Sistemas de gestión de seguridad incompletos: Si bien los países mejoran continuamente las regulaciones para todas las etapas de la operación de las centrales de almacenamiento de energía, el rápido desarrollo de las tecnologías de almacenamiento a menudo supera el establecimiento de sistemas eficaces de gestión de seguridad y la supervisión regulatoria. Esto puede provocar que los empleados pasen por alto las preocupaciones de seguridad.

3. Respuesta de emergencia tardía: en caso de una emergencia, la falta de habilidades de respuesta insuficientes o la falta de acción oportuna por parte de los operadores pueden exacerbar la gravedad de un incidente.

4. Conciencia de seguridad insuficiente: Un bajo nivel de conciencia de seguridad entre los operadores y el personal de gestión puede llevar a que se descuiden los riesgos potenciales, aumentando la probabilidad de accidentes.

A partir del análisis estadístico de accidentes en centrales de almacenamiento de energía electroquímica, se evaluó la probabilidad y la gravedad de 90 incidentes según 15 factores de riesgo identificados. Se realizaron análisis cuantitativos y cualitativos para evaluar la probabilidad y la gravedad de los accidentes, utilizando el método Delphi para determinar los niveles de gravedad.

Figura 6 Niveles de riesgo para los factores de riesgo de los EESS

Entre los 15 factores de riesgo, cinco fueron identificados como de alto riesgo: falla del sistema de enfriamiento del sistema de almacenamiento de energía, sobrecarga de la batería, instalaciones de protección contra incendios insuficientes, anormalidades en BMS/PCS/EMS y temperaturas ambientales extremas.

● Medidas de prevención

Para abordar los factores de alto riesgo identificados, se debe mejorar la seguridad general de las centrales de almacenamiento de energía electroquímica en cinco áreas clave:

fortalecer la confiabilidad de los sistemas de enfriamiento, optimizar las medidas del sistema de baterías para prevenir la sobrecarga, mejorar las tecnologías de alerta temprana y monitoreo de seguridad, avanzar en las tecnologías de protección contra incendios y optimizar las estrategias y tácticas de extinción de incendios.

Además, para reforzar la seguridad sistémica de los SEESS, se deben centrar los esfuerzos en el diseño y la fabricación de celdas de batería. Se deben perfeccionar los sistemas de gestión de la seguridad e implementar normas obligatorias para evitar que baterías dañadas entren en las centrales de almacenamiento de energía. Se debe intensificar la investigación sobre tecnologías de alerta ultra temprana para permitir la predicción de accidentes con varias semanas de antelación. Se deben desarrollar agentes extintores especializados que sean eficientes, refrigerantes, a prueba de explosiones y aislantes, junto con ensayos de fuego de baterías a nivel de clúster.

Evitar las tecnologías de baterías de alto riesgo y adoptar soluciones inherentemente seguras y fiables para el sistema es el único camino sostenible para la industria del almacenamiento de energía. La filosofía de producto de Super Power se alinea perfectamente con esta visión y ofrece una solución de seguridad totalmente validada, que abarca todos los aspectos, desde el diseño de materiales hasta la integración del sistema, desde la alerta temprana inteligente hasta la protección definitiva.