Primero hay que entender con precisión qué significa «decisivo»

En la detección de incendios de baterías, el dióxido de carbono (CO₂) es una señal muy importante. Sin embargo, ello no significa que observar únicamente el CO₂ impida pasar por alto todos los fallos. En este artículo, «decisivo» significa que constituye un indicio sólido de que han comenzado la descomposición del electrolito y las reacciones secundarias dentro de la celda antes de que la fuga térmica se manifieste como una llama plenamente desarrollada. En condiciones reales, la magnitud de la señal y el tiempo que tarda en llegar varían según la química del cátodo, el formato de la celda, el estado de carga (SOC), el envejecimiento, el modo de inducción del fallo, el volumen del recinto, el caudal de ventilación y la ubicación del sensor. También existe CO₂ de fondo procedente de personas y equipos de combustión. Por ello, un buen sistema no concluye que hay un incendio únicamente a partir de la concentración absoluta de CO₂, sino que interpreta el aumento respecto a la concentración de referencia y la velocidad de aumento junto con la información de otros sensores.

Esta distinción es importante en la práctica. Los detectores de humo requieren que las partículas de combustión lleguen hasta el detector, y los sensores de temperatura superficial pueden detectar tarde una reacción iniciada dentro de la celda. En cambio, el gas puede liberarse al abrirse la válvula de venteo de la celda antes de que aparezca una llama visible. La detección de CO₂ es una capa que puede captar este breve intervalo precursor y ganar tiempo para iniciar medidas como la interrupción de la carga, el aislamiento, el control de la ventilación y la verificación en el lugar. Sin embargo, un sensor de CO₂ también puede no responder ante un cortocircuito interno sin apertura de la válvula de venteo o en una configuración que no permita que el gas alcance el sensor.

Qué ocurre dentro de una batería antes de la fuga térmica

Una celda de ion-litio está compuesta por cátodo, ánodo, separador, electrolito y una carcasa sellada. Si la temperatura interna aumenta por sobrecarga, calentamiento externo, cortocircuito interno, impacto o defecto de fabricación, se descomponen las capas protectoras y el electrolito, y se suceden múltiples reacciones exotérmicas. En este proceso se generan CO₂, monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H₂), metano (CH₄), hidrocarburos como el etileno y compuestos orgánicos volátiles (VOC). Cuando la presión interna supera el límite de diseño, se abre la válvula de seguridad y una mezcla de gases y vapores se expulsa al exterior. Incluso sin fuente de ignición, si se acumulan componentes inflamables en un espacio cerrado, existe riesgo de ignición tardía y deflagración.

En ensayos de la Administración Federal de Aviación de Estados Unidos (FAA) con celdas de óxido de litio-cobalto a diversos SOC y velocidades de calentamiento, los componentes principales del gas de venteo recogido incluyeron CO₂, H₂ y CO. Tanto en las celdas de bolsa como en las cilíndricas ensayadas, el volumen total de gas de venteo y la energía de combustión aumentaron a medida que se elevaba el SOC. Sin embargo, también se observó una tendencia a que la proporción de CO₂ en el gas disminuyera y la de CO aumentara al elevarse el SOC. La lección importante es que «hay más CO₂» y «el riesgo es mayor» no son siempre la misma afirmación. El CO₂ es útil como indicador de una reacción anómala, pero el riesgo de inflamabilidad, toxicidad y explosión debe evaluarse también con H₂, CO, los hidrocarburos y la concentración de oxígeno.

Tres razones por las que el CO₂ favorece la detección temprana

En primer lugar, el CO₂ se observa repetidamente cuando diversos tipos de celdas de ion-litio sufren abuso térmico o eléctrico. En los ensayos de la FAA, el CO₂ representó una proporción importante del gas de venteo de las celdas ensayadas, y en estudios experimentales que compararon celdas NCM y LFP, la liberación de gases que incluían CO₂ se evaluó como un indicador del riesgo de fuga térmica. Esto significa que el CO₂ no es un subproducto accidental que aparece solo en un modelo de un fabricante concreto, sino que está vinculado a las reacciones de descomposición del electrolito y de la interfase del electrodo. No significa, sin embargo, que todas las químicas y todos los modos de fallo produzcan la misma curva de concentración.

En segundo lugar, el CO₂ puede medirse con una selectividad relativa mediante tecnología infrarroja no dispersiva (NDIR). La molécula de CO₂ absorbe radiación infrarroja en torno a 4.26 micrómetros. Un sensor NDIR mide cuánto se reduce, en una longitud de onda determinada, la radiación infrarroja emitida por una fuente tras atravesar una celda de gas. Como utiliza la longitud de onda objetivo en lugar de depender únicamente de consumibles reactivos como un sensor electroquímico, puede diseñarse para la monitorización a largo plazo. No obstante, el polvo, la condensación, la contaminación de la ventana óptica, las variaciones de temperatura y presión, y la deriva a largo plazo siguen requiriendo calibración y mantenimiento.

En tercer lugar, el CO₂ puede captar un venteo previo al humo o a la llama visibles. En un experimento de sobrecarga de una celda LFP de 50 Ah, los investigadores monitorizaron CO₂ y CH₄ mediante NDIR y, en condiciones de válvula de venteo cerrada, detectaron los gases objetivo unos 25 segundos antes de la caída brusca de tensión y de la fuga térmica. En condiciones con la válvula de venteo abierta previamente, detectaron los gases unos 580 segundos antes de que la superficie de la batería alcanzara la alarma térmica habitual de 60°C. Estas cifras son resultados de esa configuración de ensayo, no tiempos garantizados para todos los ESS. Aun así, muestran bien por qué es valioso observar también la vía del gas en vez de vigilar únicamente la temperatura superficial.

Por qué el CO₂ no puede ser la única respuesta

En una sala de baterías ya existe CO₂. El aire exterior contiene CO₂ en torno a varios cientos de ppm y la concentración puede aumentar en interiores ocupados o cerca de equipos de combustión. Los valores del sensor pueden variar únicamente porque aumenta el número de personas que entran y salen o porque cambia el funcionamiento de la climatización. Aplicar un umbral fijo a un único valor absoluto puede aumentar las falsas alarmas o, por el contrario, hacer que se pase por alto una señal pequeña de batería en una concentración de fondo elevada. Por ello, es preferible establecer líneas de base por franja horaria de operación normal y observar a la vez la variación en intervalos cortos y la tasa de aumento. Un enfoque diferencial que compare los valores cerca de la toma de aire exterior y del rack de baterías también ayuda a distinguir cambios de fondo de emisiones locales.

La ventilación modifica considerablemente la señal. Un flujo de aire intenso diluye el gas, reduce la concentración que mide el sensor y puede transportarlo al lado opuesto de este. En un gabinete cerrado, incluso una liberación pequeña se acumula rápidamente, mientras que en un espacio abierto amplio la misma cantidad liberada se dispersa a una concentración menor. Puede no bastar con instalar un único sensor en el techo. Aunque el CO₂ por sí solo es más pesado que el aire, el gas de venteo de la batería está caliente y mezclado con componentes ligeros como H₂, por lo que inicialmente sigue la flotabilidad y el flujo de aire. Por tanto, en lugar de elegir simplemente entre el suelo o el techo, deben considerarse la dirección real de venteo, los conductos del rack, los ventiladores de refrigeración, las salidas de extracción y las zonas de estancamiento.

La química y el estado de la celda también difieren. NCM, NCA, LCO y LFP no tienen las mismas temperaturas de reacción ni la misma composición de liberación; incluso dentro de una misma química, los resultados varían según el SOC, el tamaño de la celda, la estructura de la carcasa y el estado de envejecimiento. El informe de la FAA también explica que el resultado de la fuga térmica depende de la química, el tamaño, el SOC, el diseño y la configuración del fabricante. Por ello, es peligroso copiar sin más un umbral en ppm obtenido con otro producto. Los valores de alarma del sitio deben validarse con los datos de ensayo de celdas, módulos y racks del producto instalado, la información del fabricante y, cuando sea posible, resultados de ensayos escalonados como UL 9540A.

Una alarma más fiable gracias a múltiples sensores

El objetivo de los múltiples sensores no es colocar muchos sensores, sino superponer la observación de distintos tramos de fallo. El BMS supervisa continuamente la tensión de las celdas, la corriente del pack, el SOC, el aislamiento y algunas temperaturas. Los sensores de temperatura pueden observar el calentamiento local y anomalías de refrigeración; los de humo, aerosoles y productos de combustión; y los de presión, cambios bruscos en un recinto cerrado. CO₂ y VOC dejan huellas químicas del venteo; el CO contribuye a evaluar la oxidación incompleta y el riesgo tóxico; y los sensores de H₂ o de gases inflamables contribuyen a determinar la posibilidad de explosión. Un sensor de oxígeno puede confirmar la inertización o una situación de deficiencia de oxígeno. Ninguno responde primero en todas las situaciones.

Los ensayos de tecnologías diagnósticas comerciales de Sandia National Laboratories ilustran bien este punto. Los investigadores compararon conjuntamente la impedancia electroquímica (EIS), los sensores de gas, la tensión y la temperatura. En algunos ensayos de sobrecalentamiento, la EIS mostró primero una anomalía; en ensayos de packs con sobrecarga, se probó una intervención en la que un sensor de gas combinado detectó el gas liberado y después interrumpió la corriente para impedir la progresión hacia la fuga térmica. En cambio, el sensor de gas no respondió en ensayos donde la celda no venteó. Es decir, se necesita una estructura en la que las anomalías eléctricas sean complementadas por las capas de BMS e impedancia, el venteo por la capa de gas y el calentamiento y la combustión por las capas de temperatura y humo.

Los ensayos de ESS a escala real de FSRI y UL también midieron conjuntamente temperatura, presión, O₂, CO, H₂, HCN, VOC e indicadores de gases inflamables. Los investigadores señalaron la necesidad de que los cuerpos de bomberos puedan consultar pronto los datos de instrumentación internos de los ESS, en particular la información sobre gases. También advirtieron que los medidores de gas portátiles y las cámaras termográficas tienen limitaciones, y que la propia ventilación puede desplazar una mezcla inflamable acumulada hacia el rango de ignición y provocar deflagración o una transición rápida del incendio. Por tanto, en lugar de una automatización simple como «si se detecta gas, ponga los ventiladores al máximo», deben combinarse la concentración, el intervalo de inflamabilidad, el aislamiento de fuentes de ignición y los procedimientos de emergencia específicos de cada instalación.

Lógica escalonada de decisión aplicable en el sitio

Las alarmas operativas pueden organizarse en las etapas de atención, anomalía y emergencia. En la primera etapa, se comprueban los datos cuando el CO₂ aumenta un margen determinado sobre la línea de base o cuando su tasa de aumento es anormal. En vez de activar todavía la extinción automática o una evacuación total, se contrastan los sensores adyacentes, los eventos del BMS y el estado de la climatización. En la segunda etapa, cuando el aumento de CO₂ persiste y uno de VOC, CO o H₂ aumenta a la vez, o cuando se acompañan desviación de tensión de la celda, aumento de temperatura o anomalía de aislamiento, se detienen con seguridad la carga y descarga y se aísla el rack afectado. En la tercera etapa, si aparecen cambios rápidos de temperatura o presión, humo, aumento de gases inflamables o indicios de propagación a varios racks, se ejecutan la parada de emergencia prevista, la evacuación, el aviso a bomberos y el control de acceso.

Insistir únicamente en una lógica AND puede hacer que se pase por alto un incidente real por el fallo de un sensor, mientras que utilizar solo una lógica OR incrementa las falsas alarmas. Un enfoque más realista consiste en ponderar la fiabilidad y el nivel de riesgo de cada sensor. Por ejemplo, un aumento muy rápido de CO₂ y una anomalía de tensión en el mismo rack reciben una puntuación alta, mientras que la sola presencia de CO₂ interior que cambia lentamente recibe una puntuación baja. El fallo de autodiagnóstico del sensor o la pérdida de comunicación también deben incluirse en la puntuación de riesgo. Tras una alarma, deben conservarse las tendencias brutas, el estado de ventilación, los eventos del BMS y los registros sincronizados en el tiempo para utilizarlos en el análisis de causas y la mejora de umbrales.

La ubicación y la puesta en servicio importan más que la especificación del sensor

Un buen sensor instalado en el lugar equivocado retrasa la alerta temprana. El diseñador debe comprobar primero la dirección de venteo de la celda y los recorridos de flujo dentro del módulo. Después debe verificar, mediante visualización de humo o ensayos con gas trazador, adónde llevan el gas el flujo normal de refrigeración y el flujo de extracción de emergencia. Los sensores pueden disponerse de forma escalonada en los puntos de acumulación previstos dentro del rack o gabinete, en conductos de extracción comunes y en puntos representativos de la sala. En vez de observar solo la concentración en un punto, los tiempos de llegada entre sensores y el gradiente espacial permiten acotar antes el rack afectado.

Durante la puesta en servicio, se registran los valores de fondo en condiciones operativas reales, como carga normal, ventilación máxima, ventilación detenida y cambios de personal que entra y sale. El tiempo de respuesta del sensor depende no solo de la especificación del elemento de medición, sino también de la longitud del tubo de muestreo, el caudal de la bomba, el filtro y las fugas del recinto. Una calibración que sitúe el gas de ensayo justo delante del sensor no permite verificar la respuesta del sistema. Cuando sea posible, se inyecta un gas trazador seguro en el punto de liberación previsto y se mide el tiempo total hasta la detección, transmisión, alarma y confirmación del operador. Si el resultado del ensayo no cumple el tiempo precursor objetivo, se ajustan la ubicación, el caudal de muestreo y la lógica.

Mantenimiento y gestión de falsas alarmas

Aunque un sensor NDIR de CO₂ sea relativamente estable, no es un equipo exento de mantenimiento. Deben verificarse el cero y el span en los intervalos establecidos por el fabricante, así como la contaminación y condensación de la parte óptica, la bomba y el filtro, y las fugas en los tubos. Tampoco es seguro un sensor que parece fijado en una concentración normal. Si el valor se mantiene excesivamente plano durante mucho tiempo o no es coherente con los sensores adyacentes, puede haber una obstrucción, un error de comunicación o un fallo de calibración. El estado de bypass de alarma y la fecha límite de calibración deben mostrarse claramente en el panel de operación.

Las falsas alarmas no son datos que deban eliminarse, sino datos que enseñan al diseño. Registrar qué actividad afectó a qué sensor —por ejemplo, la respiración de los trabajadores, los gases de escape de carretillas elevadoras, los productos de limpieza, la soldadura o el cambio de climatización— permite refinar la lógica de alarma. Sin embargo, no deben elevarse los umbrales sin fundamento porque las falsas alarmas se repitan. Deben separarse las causas de fondo, mejorar la posición de los sensores y las condiciones de verificación cruzada, y después comparar mediante pruebas simuladas las condiciones antes y después del cambio. Cuando salte una alarma, la pantalla que consulta la persona responsable debe mostrar no solo el valor actual, sino también la tasa de aumento reciente, la línea de base, las alarmas de BMS relacionadas, el estado de los sensores y las medidas recomendadas.

Diseñe el CO₂ no como un único voto, sino como una capa

El verdadero valor del CO₂ no consiste en confirmar la presencia de un incendio después de que este haya crecido. Consiste en captar el momento en que la celda inicia una reacción anómala y ventea, para adelantar la siguiente acción. En diversos ensayos, el CO₂ se observó como un gas de venteo principal y los sensores NDIR proporcionaron un medio de medición selectivo y continuo. Por ello, el CO₂ es una señal demasiado valiosa como para excluirla del diseño de alerta temprana de salas de baterías y gabinetes de ESS.

Sin embargo, una sola cifra de CO₂ no debe tomar la decisión. Las características de liberación de cada química, el SOC, la ventilación, la concentración de fondo y la ubicación del sensor deben incorporarse mediante ensayos en el sitio y combinarse, en el eje temporal, con información de tensión, corriente, temperatura, VOC, CO, H₂, humo y presión. El mejor sistema no es el que «acierta» un incidente mediante un sensor, sino el que transforma gradualmente señales iniciales inciertas en certeza y da tiempo a las personas para intervenir con seguridad. El CO₂ puede ser una primera voz importante en esa red de decisión, pero debe escucharse siempre junto con otras voces.

Referencias

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