Fuente: https://www.pv-magazine.com
Adoptar un enfoque riguroso en la inspección es crucial en toda la cadena de suministro de almacenamiento de energía. Chi Zhang y George Touloupas , de Clean Energy Associates (CEA), exploran defectos de fabricación comunes en los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) y cómo los regímenes de garantía de calidad pueden detectarlos.

Un régimen de pruebas eficaz es clave para garantizar la calidad en el sector BESS.
Foto de : Aquión
CEA comenzó a desarrollar servicios de almacenamiento de energía en 2015, en una etapa relativamente temprana de la industria del almacenamiento. La empresa previó el potencial de crecimiento del almacenamiento de energía estacionario como un facilitador crítico de la transición a las energías renovables y un activo valioso para los operadores de red.
En los últimos ocho años hemos visto celdas de batería escalar desde menos de 100 Ah hasta los más de 300 Ah actuales; sistemas que se transforman de contenedores transitables de 12 metros a los gabinetes modulares altamente integrados y de alto consumo energético de la actualidad; y la llegada de sistemas refrigerados por líquido necesarios para las celdas grandes.
Los proveedores de baterías han creado formatos de celdas y productos químicos especializados para el sector BESS estacionario, en lugar de utilizar celdas de vehículos eléctricos en sistemas de almacenamiento de red, como en los primeros días. También hemos sido testigos de la transición de BESS de una química de celdas de batería de níquel, cobalto y manganeso (NCM), suministrada principalmente por fabricantes surcoreanos y japoneses, a dispositivos de fosfato ferroso de litio (LFP), suministrados exclusivamente por fabricantes chinos. Otras tecnologías de almacenamiento, como las baterías de flujo, aún tienen que lograr grandes avances y arrebatarle una porción del mercado a las baterías de iones de litio (LIB).
Cambio rapido
En general, la industria es muy diferente a la de hace unos años. Esto ha traído consigo importantes desafíos, exacerbados por una alta tasa de crecimiento. Las químicas LIB tienen limitaciones inherentes y violarlas puede conducir a una degradación excesiva que casi invariablemente resulta en una fuga térmica incontrolada.
Los defectos de fabricación, así como los abusos eléctricos, térmicos o mecánicos, pueden llevar a las celdas de la batería a un desequilibrio térmico. En el mejor de los casos, los sistemas de seguridad evitarán la propagación de un incendio, lo que provocará la incapacitación de sólo una parte del sistema. En el peor de los casos, se podrían quemar varios contenedores, lo que provocaría un largo tiempo de inactividad del sistema. Además, la complejidad encontrada en varios subsistemas crea puntos adicionales de falla que pueden conducir al abuso de las células y a una fuga térmica. Un incendio en una batería es el escenario de pesadilla que cualquier propietario u operador de BESS quiere evitar a toda costa, ya que provoca importantes daños financieros y de reputación y una prolongada interrupción operativa.
CEA se ha centrado en identificar de manera eficiente los riesgos de fabricación asociados con todos los niveles de un sistema de almacenamiento de energía, a través de nuestros servicios de garantía de calidad. Este trabajo incluye la identificación de riesgos en sistemas de celdas, módulos, bastidores y contenedores.
Calidad en números
Desde 2018, el equipo de ingenieros de CEA ha estado realizando inspecciones de control de calidad en más de 26 GWh de proyectos de almacenamiento de energía de iones de litio implementados en todo el mundo. Nuestras inspecciones de control de calidad se realizan antes de la producción, en auditorías de fábrica previas a la producción; durante la producción, mediante el seguimiento de la producción en línea; y después de la producción mediante inspección previa al envío y pruebas de aceptación en fábrica. Durante la supervisión de la CEA se han identificado más de 1.300 hallazgos en 52 fábricas en todo el mundo. En este contexto, un hallazgo es un problema identificado durante la inspección que indica una desviación de las mejores prácticas estándar, desviaciones del proceso o especificaciones del producto.
La mayoría de los recién llegados a la industria se centran demasiado en la calidad de las células y no prestan suficiente atención a los problemas de integración, ya que las células se empaquetan en módulos, bastidores y contenedores. Los problemas a nivel del sistema representan el 47% de los identificados, en comparación con el 30% a nivel de célula y el 23% a nivel de módulo. El complejo proceso de fabricación de una celda de batería y la sensibilidad de alto rendimiento con respecto a la solidez del sistema de control de calidad lo convierten en el componente más propenso a riesgos dentro de un BESS. Pero hay tantos otros componentes incluidos en un sistema en contenedores que la mayoría de los riesgos provienen de las partes del BESS que no son celdas. La gran cantidad de hallazgos a nivel de sistema se debe al control de calidad inadecuado de los procesos de integración altamente manuales, la naturaleza compleja de los sistemas de almacenamiento de energía y la vulnerabilidad del sistema a problemas subyacentes que se originan en componentes anteriores, como los elementos del balance de planta (BOP) y baterías. Como último paso del proceso de fabricación de BESS, la integración del sistema puede amplificar los problemas subyacentes en los niveles de subsistema y es vulnerable a riesgos adicionales de calidad y rendimiento en las interfaces entre subsistemas.
Problemas a nivel del sistema
En las fábricas de integración, los sistemas de almacenamiento de energía se construyen con muchas partes móviles, un hecho que se refleja en la gran cantidad de hallazgos de la CEA sobre los recintos del sistema, que representan el 45% del total de hallazgos a nivel de sistema (ver gráfico a la izquierda). Sin embargo, la mayoría (84%) de los hallazgos del gabinete son menores y representan un riesgo relativamente bajo para el rendimiento y la seguridad del sistema. La inspección del gabinete comprende la inspección visual de la apariencia, resistencia y rigidez, cableado, mecanismo de conexión a tierra y rendimiento de ingreso.
Los componentes y sistemas de soporte que forman el BOP de un BESS constan de un sistema de detección y extinción de incendios, una configuración de distribución de energía y un sistema de gestión térmica. Un BESS es inherentemente vulnerable a defectos que se originan en todos los componentes anteriores y esto lo atestigua la gran cantidad de hallazgos directos en la BOP. Los hallazgos en los subsistemas suelen ser causados por defectos de los subcomponentes y malas prácticas durante la integración del sistema. Los hallazgos representativos incluyen fugas de refrigerante líquido debido a placas de brida deformadas, sensores de gas que funcionan mal, fallas de ventilación debido a una instalación incorrecta y exposición a conductores activos dentro de la distribución de CA/CC.
Los resultados de las pruebas de rendimiento contribuyen solo con el 4% del número total de hallazgos a nivel del sistema, ya que las pruebas de capacidad y eficiencia de ida y vuelta (RTE) son procesalmente sencillas y tienen criterios explícitos de aprobación y falla. En los peores casos, cuando un sistema falla tanto en las pruebas de capacidad como en las de RTE, solo se registrarán dos resultados. Sin embargo, los resultados de las pruebas de rendimiento indican un alto riesgo, ya que están directamente relacionados con las garantías de rendimiento del sistema, y las causas fundamentales de cualquier prueba fallida generalmente apuntan a un problema mayor y más profundo.
Las pruebas de desempeño de referencia son cruciales para identificar deficiencias del sistema, confirmar métricas prometidas contractualmente y ofrecer una última oportunidad para rectificar problemas de calidad y desempeño. Entre las dos pruebas de rendimiento, se encuentra un mayor porcentaje de problemas importantes y críticos durante la prueba RTE, que mide la eficiencia del ciclo del sistema de CC, excluyendo las cargas auxiliares. Esta es la prueba más desafiante que muestra cuán eficientemente se han ensamblado eléctricamente las baterías. Las pruebas de capacidad se realizan a un nivel más fundamental y el riesgo de déficit de capacidad suele estar cubierto por una regla implícita en el diseño de las celdas de la batería, es decir, sobredimensionar la capacidad en alrededor de un 5% a nivel de celda.
La falta de eficiencia y capacidad del sistema a menudo se debe a las baterías o a los sistemas BOP. Los hallazgos más comunes incluyen capacidad y RTE deficientes, como resultado de variaciones anormalmente grandes de temperatura y voltaje entre las celdas dentro de un módulo de batería; falla de carga o descarga debido a problemas de cableado en las cajas de alto voltaje de un bastidor de baterías; y fuga térmica iniciada en uno de los módulos de batería por un cortocircuito interno.

Celdas y módulos
Los hallazgos relacionados con las baterías se identifican en las fábricas de células y módulos durante los procesos de fabricación e integración de los respectivos componentes.
La celda es donde tienen lugar las reacciones electroquímicas a nanoescala. Se requiere un control riguroso del proceso para evitar cortocircuitos internos causados por problemas de calidad. El largo proceso de fabricación y la alta sensibilidad a las condiciones de almacenamiento, embalaje y envío de las celdas de batería conducen a un mayor número de hallazgos, en comparación con los módulos de batería.
El proceso general de fabricación de celdas se puede dividir en tres etapas: fabricación de electrodos, ensamblaje de celdas y acabado de celdas. Los procesos de ensamblaje celular contienen un mayor número de hallazgos con mayor gravedad debido a su estrecha relación causal con los cortocircuitos internos. A medida que las celdas de batería evolucionen a 300 Ah, o niveles de capacidad incluso mayores, se espera que los riesgos asociados se agraven debido a mayores requisitos de tamaño de rebabas y control de partículas extrañas durante los procesos de ensamblaje de las celdas.
De manera similar al proceso de integración del sistema, los módulos de batería implican procesos de producción altamente manuales que incluyen la instalación de celdas, la soldadura de interconexión, el cerramiento y las pruebas de final de línea. La instalación de celdas y la soldadura de interconexión son responsables del 86% de todos los hallazgos relacionados con módulos de batería.
La instalación de las celdas de la batería comienza con la verificación de la polaridad, y luego las celdas se colocan en soportes que tienen capas de aislamiento térmico aplicadas en el medio. La soldadura de interconexión conecta las celdas eléctricamente en la configuración diseñada. La gran cantidad de hallazgos en estas dos áreas se debe principalmente a la imprecisión en el manejo de materiales y el control de calidad de la soldadura. En cuanto al proceso de soldadura de interconexión, la mayoría de estos hallazgos son importantes y se deben a procedimientos de soldadura mal definidos y operaciones descuidadas.
Reducir el riesgo
El rápido ritmo del avance de la tecnología de baterías significa que se están introduciendo nuevos riesgos en toda la cadena de suministro. En consecuencia, un enfoque de control de calidad en múltiples etapas debe comenzar con la evaluación de riesgos en las primeras etapas del proceso de adquisición.
La evaluación debe identificar riesgos específicos asociados con el diseño del proyecto y los casos de uso, que deben informar los requisitos de la batería. Durante la producción, el control de calidad debe ejecutarse bajo un estrecho escrutinio para garantizar que todos los riesgos previamente identificados estén cubiertos.
Una conclusión clave de nuestro historial de garantía de calidad de más de 26 GWh es que a veces ni siquiera los resultados perfectos de las pruebas del sistema pueden garantizar el rendimiento y la confiabilidad continuos una vez que los sistemas se ponen en funcionamiento. Cualquier sistema de almacenamiento de energía es tan bueno como los criterios de aprobación descritos en la lista de verificación de control de calidad del proveedor. Hemos visto fallas en las pruebas de rendimiento debido a limitaciones de los equipos de prueba, objetivos de eficiencia de ida y vuelta que se establecen demasiado bajos y no se ajustan a las garantías de rendimiento, variaciones de temperatura y voltaje que no se monitorean ni analizan, funciones de control del sistema de administración de baterías no probadas y más. . Algunos de estos problemas pueden abordarse en la etapa inicial de adquisición mediante la realización de un análisis de deficiencias en los protocolos de prueba y garantía de calidad de un proveedor.
Garantizar la fiabilidad y el rendimiento de BESS requiere un proceso continuo de reevaluación. Debería haber actualizaciones frecuentes de las mejores prácticas de inspección de calidad, seguimiento de riesgos y priorización y desarrollo de enfoques de mitigación. El premio para los compradores que siguen un enfoque de garantía de calidad en varias etapas es un sistema de batería seguro que funciona según lo esperado.

Acerca de los autores: George Touloupas es director senior de tecnología y calidad para energía solar y almacenamiento en CEA. Tiene más de 12 años de experiencia en consultoría técnica para fabricación fotovoltaica, desarrollo de proyectos y proyectos de almacenamiento de energía y energía solar.
Chi Zhang es ingeniero senior en CEA. Su investigación se centra en el almacenamiento de energía y el hidrógeno verde.
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