Data centers

Las baterías, el eslabón más débil de los Sistemas de Alimentación Ininterrumpida

En nuestro día a día con los proyectos que involucran Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAI), nos encontramos una y otra vez con los requerimientos de una mayor fiabilidad, que incremente la seguridad y la confianza en dichos Sistemas. Por ello, además de desarrollar productos cada vez más confiables, estudiamos y proponemos sistemas en los cuales la redundancia es la principal arma.

Sin embargo, a pesar de que cada vez con mayor frecuencia se proponen sistemas redundantes, SAI’s modulares con redundancia interna o externa, con aparellaje eléctrico duplicado, Grupos Electrógenos de respaldo, e incluso posibilidad de utilizar alternativamente Centros de Transformación diferentes, nos encontramos que uno de los elementos principales que garantiza todo el buen funcionamiento del sistema, es al que menos tiempo dedicamos: la batería del SAI.

La batería del SAI es el elemento que nos va a permitir tener una disponibilidad de energía eléctrica, de forma ininterrumpida, hasta que alguno de los sistemas alternativos como grupos Electrógenos, Estaciones Transformadoras alternativas, o cualquier otro tipo de fuente de Energía confiable, nos permita restaurar la energía en caso de que nuestra fuente principal tenga cualquier tipo de incidencia.

La batería en un Sistema de Alimentación Ininterrumpida nos va a proporcionar protección contra las interrupciones de la red eléctrica, a través de la energía almacenada en ellas.

Este almacenamiento de energía debe cumplir con unos parámetros básicos, como son el estar permanentemente disponible ante cualquier incidencia externa (como microcortes, parásitos, o variaciones de tensión), deberán también aportar la suficiente potencia como para cubrir la totalidad de la carga a proteger, y así mismo deberán poder suministrar esta energía de carencia mientras el resto de sistemas de emergencia activan su disponibilidad, (como los Grupos Electrógenos o cualquier otra fuente alternativa).

Por ello, es de lógica pensar, qué en los entornos industriales o Data Centers, con aplicaciones de potencia medias y altas, usando redes eléctricas trifásicas con alta posibilidad de incidencias, dediquemos un mayor esfuerzo al diseño e implementación de un elemento de almacenamiento de energía, suficientemente robusto y confiable.

Esquema general SAI

¿Qué es y cómo funciona la batería de un SAI?

Básicamente, en concepto eléctrico, una batería para un sistema monofásico o trifásico es el mismo componente: un recipiente que almacena energía química latente, y qué mediante su activación al conectarlo a una carga eléctrica externa, la transforma en energía eléctrica. Este proceso puede ser reversible o no, y por ello se clasifican en primarias y secundarias:

  1. Las baterías primarias están diseñadas de forma que se utilicen hasta que se descarguen completamente, y el proceso químico es irreversible, de forma que después de este uso quedan “vacías” y no se pueden recargar. Son lo que conocemos coloquialmente como “pilas desechables”, y las usamos en juguetes, relojes o pequeño electrodoméstico.
  2. Las baterías secundarías, sin embargo, sí que permiten su recarga, ya que su tipología permite que una vez usadas y “descargadas”, la reacción química en su interior sea reversible mediante la aplicación de una corriente eléctrica (la “recarga”), permitiendo de nuevo su utilización, como en el proceso original.Este proceso solo se puede repetir un determinado número de veces (cantidad de recargas admitidas), ya que los constituyentes químicos internos se van degradando en cada proceso, hasta que son incapaces de repetirlo de forma óptima. Esta característica variará en función del tipo de baterías, su química y su calidad. Estas baterías son las utilizadas en prácticamente todas las aplicaciones de tipo industrial hoy en día.

En el caso de las baterías secundarías para SAI’s, se utilizan celdas, de por ejemplo 2V, agrupadas en packs, de forma que conectando tres en serie obtenemos 6 V, y colocando seis celdas en serie obtendremos una batería de 12V (como la que utilizamos para el arranque de nuestros automóviles).

Si posteriormente, agrupamos 32 elementos de estos packs de baterías de 12V y los conectamos en serie, sumando su tensión, obtendremos una batería global de 384V CC, con la cual el SAI mediante el inversor/ondulador la transformará en una corriente de 400V AC para suministrar a la carga.

Armario Batería VRLA

En función del tipo de química utilizado, y de su tamaño, cada celda tendrá una capacidad diferente, entendiendo la capacidad como la cantidad de energía eléctrica que una batería puede aportar a una tensión determinada, es decir la cantidad de energía que contiene y que puede suministrar (se mide en Amperios/hora).

En los modernos Sistemas de Alimentación Ininterrumpida las baterías se agrupan en tres tipos de químicas (no exclusivamente, y coexisten con otros tipos, pero que son más marginales o residuales):

  1. NiCd: con un nivel de tensión por celda bajo (1,2V)
  2. Pb: con un nivel intermedio (2V)
  3. Ión de Litio: con el nivel más alto (hasta 3,6V)

Estas tres agrupaciones después se multiplican en diversos grupos, tanto por químicas particulares, como por formatos, calidades, densidad de energía o expectativas de vida útil.

También se ha de considerar que los fabricantes de baterías nos proporcionan diferentes tipos en función del tipo de requerimiento de la carga a alimentar, y no es igual constructivamente, por ejemplo, una batería para una carretilla de almacén, que se descarga lentamente durante varias horas, que la batería de arranque de un automóvil, que debe proporcionar una gran intensidad en los breves segundos que tarda en arrancar un motor de combustión, aunque ambas tengan aparentemente la misma capacidad. De esta forma, los fabricantes estructuran sus gamas en diferentes rangos, como Tracción, Estacionaría, Solar, etc.

En cualquier caso, estas baterías, sean del tipo que sean, tienen el gran riesgo que implica su proceso químico, y no es otro que la posibilidad de que la batería se interrumpa eléctricamente, bien porque las placas se perforan y/o comunican, o bien porque se sobrecalientan y se degradan hasta su destrucción.

En este caso, al tenerlas agrupadas en series como hemos explicado previamente, uno de estos problemas en una de las celdas, implica la apertura de la serie y la interrupción de su funcionamiento, y como consecuencia la imposibilidad de continuar suministrando energía.

¿Cómo mejorar la batería de nuestro SAI, o hacerla más fiable?

1.-Utilizar una batería de más calidad

Aunque pueda parecer una respuesta muy simple, es una de las mejores soluciones que podemos adoptar cuando diseñamos una instalación.

Armario Galaxy Ión Litio

Nos encontramos con una oferta tan amplia de fabricantes y modelos, además de químicas y características, que a veces es difícil escoger la opción adecuada, y se acaba simplificando hacia las opciones más económicas.

Es un dato objetivo que tanto las baterías de NiCd como las baterías de Ión – Litio permiten muchos más ciclos de carga y descarga antes de que la degradación propia alcance el punto crítico en el cual se deben sustituir, y esto hace que de por sí, sean más longevas y robustas, con vidas de diseño de entre 12 y 20 años.

Por otro lado, las baterías de Pb, son una opción mucho más económica, aunque con unas expectativas de vida sensiblemente inferiores, ya que su propio organismo de clasificación (Eurobat) define así las baterías estacionarias VRLA en función de su vida de diseño (*):

  • 3 – 5 AÑOS COMERCIAL ESTÁNDAR (Estándar)
  • 6 – 9 AÑOS PROPÓSITO GENERAL (General Purpouse)
  • 10/12 AÑOS LARGA VIDA (Long Life)
  • > 12 AÑOS VIDA MUY LARGA (Very Long Life)

(*) Vida de diseño según IEC 60896-21/22. No confundir con Service Life, que va asociado con las condiciones de trabajo de la batería

Evidentemente una batería Very Long Life nos proporciona, sino una garantía, si al menos, una expectativa de funcionamiento óptimo durante mucho más tiempo que una batería estándar y es un parámetro que se debe considerar en contraposición al coste de una y otra, ya que una vida de diseño más corta nos obligará también a renovar más a menudo nuestra batería.

Por encima de estas calificaciones, todavía se encuentran diversos tipos de baterías de Pb, de mucha más calidad y expectativas mayores de vida, pero con costes que las asemejan a las opciones equivalentes de NiCd y Li-Ion.

2.-Protecciones eléctricas adecuadas

Como elemento de producción de energía eléctrica, cualquier batería está sometida a la necesidad de incorporar unos elementos de protección, tanto en lo que hace referencia a las personas, como a la seguridad física de la propia batería.

Disyuntor protección CC

Por ello, en Schneider Electric equipamos nuestros equipos con dispositivos de protección contra sobretensiones y con posibilidad de seccionamiento.

En el ámbito de los equipos monofásicos de media potencia, y en todos los trifásicos, se incluyen dispositivos con protección magnetotérmica, que equipan bloques de relés específicos para corriente continua.

La actuación de estos dispositivos, en los casos que lo requieran, además de aportar la seguridad indispensable para las personas, pueden interrumpir el flujo eléctrico, y permitir detener procesos, que en muchos casos pueden acabar con la destrucción de las baterías.

La no utilización de  estas protecciones, o incluso la sustitución de  estas por unos simples fusibles, además de aportar una protección más deficiente, van a provocar que cualquier defecto provoque una parada continuada, incluso de horas, ya que van a requerir la intervención del Servicio Técnico, al no poder rearmarse como un disyuntor magnetotérmico.

3.-Varias series en paralelo

La utilización de varias series en paralelo, independientemente de la capacidad necesaria para aportar la potencia y tiempo de descarga requerido, proporciona la posibilidad de aislar una a una estas series, y poder actuar para procesos de mantenimiento y/o servicio, sin necesidad de suspender completamente el suministro de toda la batería.

Si bien el coste de suministro de dos series de baterías suele ser superior al suministro de una única serie equivalente superior, si podemos disponer de suficientes series para proporcionar la potencia requerida en caso de desconectar una de ellas (aún a costa de reducir la autonomía disponible), la mejora de disponibilidad conseguida suele ser lo suficientemente reseñable como para al menos plantearlo como opción.

4.-BMS

Los Battery Management Systems son los sistemas que mejor permiten avanzarse a los diferentes problemas inherentes a las baterías, y realizar un verdadero mantenimiento preventivo.

La supervisión permanente, y de forma automatizada de diferentes parámetros clave (tensión, temperatura e impedancia) de cada uno de los bloques de una batería van a permitir hacer un seguimiento detallado del funcionamiento y de la vida de esta, permitiendo detectar cualquier incidencia antes de que sea ostensible, y realizar actuaciones lo más rápidas posible.

Batería con G.BMS

Batería con G.BMS

Estos sistemas, integrados de forma nativa en los armarios de baterías de Ión Litio Galaxy, también se presentan como un producto independiente que se pueden adaptar a cualquier tipo de batería, bien en la instalación original, o posteriormente en cualquier momento, si bien esta última opción puede ser más complicada y farragosa, al deber cablear toda una batería existente, cableada y en funcionamiento.

Estos dispositivos también son integrables en las plataformas Ecostruxure de Schneider Electric, y permiten tanto esta supervisión completa, como una optimización económica de los mantenimientos físicos realizados por los técnicos de campo, al disponer de una información avanzada y detallada.

También van a permitir una programación y ajuste mucho más exacto en la renovación de las baterías, al optimizar la vida útil y anunciar con antelación el nivel al que se van degradando las baterías, fruto de su normal funcionamiento.

Conclusión

En cualquier caso, es evidente que una mirada detenida a las necesidades que en términos de baterías vamos a tener en nuestro próximo proyecto, y la consideración de alguno de los puntos expuestos , nos van a ayudar a conseguir una instalación mas fiable, y con las medidas adecuadas, un TCO óptimo, así como una optimización de recursos que harán de una instalación una solución mas sostenible energéticamente.

Conoce más

Para obtener más información sobre la solución de iones de litio, consulta el White Paper WP 229: «Baterías de ion de litio frente a baterías de plomo-ácido» , y el WP 231: «Preguntas frecuentes sobre el uso de baterías de iones de litio con un SAI».


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