Quais recursos de segurança uma bateria de armazenamento de energia solar deve ter?

Prevenção de Runaway Térmico e Projeto à Prova de Incêndio

Como ocorre o runaway térmico em baterias de armazenamento de energia solar de íon-lítio

Quando ocorre a fuga térmica em baterias de armazenamento solar de íon-lítio, ela geralmente começa a partir de problemas internos nas próprias células, danos causados por fontes externas ou simplesmente pelo desgaste normal durante a operação. Assim que a temperatura ultrapassa cerca de 80 graus Celsius (aproximadamente 176 graus Fahrenheit), o eletrólito se decompõe e libera gases inflamáveis, juntamente com ainda mais calor, criando uma espécie de reação em cadeia que se sustenta por si só. Em locais onde muitas dessas baterias estão agrupadas, o calor se propaga rapidamente para as células vizinhas, às vezes elevando as temperaturas acima de 400 graus Celsius (ou cerca de 752 graus Fahrenheit) em meros segundos. Na maioria dos casos, os curtos-circuitos internos são responsáveis por tais incidentes. Esses curtos-circuitos normalmente resultam do crescimento de dendritos no interior da bateria ou de defeitos introduzidos durante a fabricação. De acordo com registros, esses problemas respondem por cerca de sete em cada dez casos de fuga térmica. Para impedir esse processo perigoso, os fabricantes precisam incorporar certas medidas de segurança, como separadores que não entram em combustão, aditivos especiais no eletrólito que resistem às chamas e barreiras feitas de resina epóxi, as quais ajudam a conter a propagação do calor entre células individuais.

Testes UL 9540A e mitigação da propagação de incêndio para instalações de baterias de armazenamento de energia solar

Obter a certificação UL 9540A significa submeter-se a extensos ensaios de fogo que avaliam como a propagação da ruptura térmica ocorre em sistemas comerciais de armazenamento de baterias solares. O processo de ensaio cria cenários que representam as piores falhas possíveis, como quando um objeto pontiagudo perfura as baterias ou quando estas são sobrecarregadas. Esses ensaios avaliam aspectos como a velocidade com que o calor se acumula, quais gases são liberados e se os incêndios conseguem se propagar de um módulo para outro. Os sistemas de baterias que cumprem esta norma incorporam recursos de segurança integrados, incluindo invólucros especiais à prova de fogo em torno de cada módulo, válvulas de ventilação que permitem a liberação segura da pressão e barreiras que impedem a transferência de calor entre módulos. Ensaios independentes demonstram que a maioria dos sistemas certificados consegue conter eventos térmicos perigosos dentro de apenas um módulo em cerca de 99% dos casos. Ao instalar essas baterias em ambientes internos ou em espaços restritos, onde há pouca distância entre as unidades, optar por equipamentos certificados conforme a UL 9540A é uma escolha sensata, tanto porque a regulamentação o exige quanto porque, na prática, reduz efetivamente os riscos. Muitos gestores de instalações relataram uma redução no número de incidentes após a substituição por esses sistemas mais seguros.

Proteção Elétrica Inteligente por meio do Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS)

Funções críticas do BMS: Sobrecarga, descarga excessiva, curto-circuito e monitoramento de isolamento

Um Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) atua como o cérebro das baterias de armazenamento solar de íon-lítio, gerenciando quatro funções essenciais de segurança que garantem o funcionamento contínuo e seguro. Quando uma bateria é carregada em excesso, o BMS interrompe o processo em aproximadamente 3,65 volts por célula, pois ultrapassar esse valor pode causar o perigoso fenômeno de deposição de lítio (lithium plating), que pode levar a problemas de superaquecimento. Por outro lado, se a bateria descarregar abaixo de cerca de 2,5 volts por célula, o sistema entra em ação novamente para impedir a descarga adicional, pois isso pode danificar componentes internos e reduzir permanentemente a vida útil da bateria. Em caso de curto-circuito, a resposta ocorre quase instantaneamente quando a corrente ultrapassa três vezes o nível normal, utilizando interruptores especiais para interromper com segurança o fluxo de energia. O sistema também verifica constantemente a resistência de isolamento entre as partes ativas e a carcaça metálica, buscando qualquer queda abaixo de 100 ohms por volt, o que indica sinais precoces de desgaste. Relatórios de campo provenientes tanto de instalações em larga escala quanto residenciais nos Estados Unidos mostram que essas múltiplas camadas de proteção reduziram os acidentes elétricos em cerca de dois terços nos últimos anos.

Acompanhamento em tempo real do SOC/SOH e resposta preditiva a falhas para baterias de armazenamento de energia solar

Os melhores sistemas de gerenciamento de bateria atualmente combinam técnicas de contagem de coulombs com filtros de Kalman para manter a precisão do SOC em torno de mais ou menos 3%. Ao mesmo tempo, eles acompanham o SOH observando quanto a capacidade diminui ao longo do tempo. Essa combinação fornece aos operadores duas camadas de informações que ajudam a prever problemas antes que eles ocorram. Quando células individuais começam a apresentar diferenças de tensão superiores a 50 milivolts ou há uma diferença de temperatura entre módulos maior que 4 graus Celsius, o sistema reduz a velocidade de carregamento e emite alertas sobre a necessidade de manutenção. Esses testes diagnósticos detalhados impedem que pequenos problemas se acumulem ao longo do tempo, o que pode, na verdade, prolongar a vida útil da bateria em aproximadamente 40% em comparação com sistemas antigos que não realizam monitoramento ativo. As versões mais recentes estão ficando ainda mais inteligentes, utilizando dados de desempenho anteriores para estimar quando as baterias poderão atingir o fim de sua vida útil cerca de três meses antes disso acontecer. Esse tipo de previsão ajuda instaladores solares a planejar melhor as substituições, em vez de esperar até que algo falhe completamente.

Certificações Regulatórias Obrigatórias para Baterias de Armazenamento de Energia Solar

A conformidade com certificações internacionais de segurança é indispensável para instalações residenciais e comerciais de baterias de armazenamento de energia solar. Essas normas reduzem os riscos de incêndio, garantem a confiabilidade operacional e constituem pré-requisitos para a interconexão com a rede elétrica, obtenção de licenças e cobertura por seguros.

Normas de segurança em nível de célula e de módulo: UL 1642, IEC 62619 e UN 38.3

As certificações em nível de componente validam a segurança fundamental antes da integração do sistema:

• UL 1642 submete as células de lítio a condições extremas de abuso, incluindo curto-circuito forçado, sobrecarga e testes de esmagamento, para verificar a integridade estrutural e térmica.
• C.E.C. 62619 estabelece requisitos de segurança para baterias industriais de lítio, exigindo resistência a estresse mecânico, abuso térmico e carga anormal.
• UN 38.3 certifica o transporte seguro, exigindo testes de simulação de altitude, vibração, impacto e ciclagem térmica para prevenir vazamentos ou eventos térmicos durante o transporte.
  Os fabricantes devem comprovar a conformidade com os três requisitos antes de avançar para a avaliação no nível de sistema.

Conformidade no nível de sistema: UL 9540, NFPA 855 e segurança na interconexão à rede (IEEE 1547, NFPA 585)

A integração de todo o sistema exige aderência a estruturas de segurança interdependentes:

• UL 9540 avalia a propagação integrada de incêndio, a segurança elétrica e a gestão térmica sob condições simuladas de runaway térmico.
• NFPA 855 regula os requisitos físicos de instalação, incluindo espaçamento mínimo, ventilação, supressão de incêndios e disposições para saída de emergência, visando limitar a propagação do fogo e facilitar a resposta a emergências.
• Normas de interconexão à rede, como IEEE 1547 (para suporte de tensão/frequência e anti-ilhamento) e NFPA 585 (para desligamento rápido e detecção de arco-falta) garante a desconexão segura em caso de falhas.
  Em 2024, 37 estados norte-americanos incorporaram a norma NFPA 855 em seus códigos elétricos, tornando-a um requisito de fato para a obtenção de licenças.

Aprimoramentos na Seleção de Materiais e no Monitoramento Proativo

Por que o fosfato de lítio-ferro (LFP) é a química preferida para baterias de armazenamento de energia solar mais seguras

LFP, abreviatura de fosfato de lítio-ferro, é atualmente a escolha preferida para a maioria das soluções de armazenamento de energia solar devido à sua excelente estabilidade térmica. O que torna este material especial é sua exclusiva estrutura cristalina do tipo olivina, que basicamente impede a liberação de oxigênio mesmo em temperaturas extremamente elevadas. Isso significa que as baterias LFP são muito mais seguras do que aquelas fabricadas com níquel ou cobalto, que tendem a pegar fogo com maior facilidade. De acordo com relatórios reais de campo, instalações que utilizam tecnologia LFP apresentam cerca de 60% menos incidentes envolvendo incêndios. Há também diversos outros benefícios. Essas baterias suportam muitos mais ciclos de carga antes de se desgastarem, mantêm bem sua tensão ao longo do tempo e operam de forma confiável mesmo em condições relativamente quentes, até aproximadamente 55 graus Celsius. Esse nível de tolerância térmica é extremamente relevante para sistemas solares instalados em telhados ou ao ar livre, onde o calor pode ser um problema.

Imagem térmica remota, detecção de anomalias orientada por IA e alertas automatizados

O monitoramento proativo adiciona uma camada crítica de defesa além dos controles de hardware e do sistema de gerenciamento de baterias (BMS):

• Imagem térmica infravermelha fornece mapeamento contínuo e sem contato da temperatura superficial, identificando pontos quentes antes que eles se agravem.
• Análise Impulsionada por IA correlaciona deriva de tensão, alterações de impedância e tendências térmicas entre módulos para detectar anomalias invisíveis aos alarmes baseados em limiares.
• Alertas automatizados enviam notificações aos técnicos com diagnósticos contextualizados, permitindo intervenção antes que pequenas variações se transformem em falhas.
  Essa abordagem reduz as paradas não programadas em 34% nas frotas de armazenamento solar e diminui significativamente a dependência de cronogramas de manutenção reativa, fortalecendo a segurança e a confiabilidade a longo prazo.

Perguntas Frequentes

• O que causa a ruptura térmica em baterias de íon-lítio para armazenamento de energia solar?

  A ruptura térmica pode ocorrer devido a problemas internos nas células da bateria, danos externos ou desgaste normal. Trata-se de uma reação em cadeia de calor que agrava o problema, muitas vezes iniciada por curtos-circuitos internos.

• O que é a certificação UL 9540A e por que ela é importante?

  A certificação UL 9540A envolve extensos ensaios de fogo para avaliar como a propagação da ruptura térmica ocorre em sistemas de baterias solares. Sistemas com essa certificação incluem invólucros à prova de fogo e outros recursos de segurança para evitar a transferência de calor entre módulos.

• Como um Sistema de Gerenciamento de Baterias (BMS) melhora a segurança da bateria?

  Um BMS gerencia sobrecarga, descarga excessiva, curto-circuito e monitoramento de isolamento para manter o desempenho ideal da bateria e prevenir situações perigosas.

• Quais são os benefícios do uso de baterias de Fosfato de Ferro-Lítio (LFP) no armazenamento solar?

  As baterias LFP oferecem estabilidade térmica devido à sua estrutura exclusiva, reduzindo o risco de incêndios e proporcionando ciclos de vida mais longos em comparação com outras químicas, como as baseadas em níquel ou cobalto.