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Una soluzione completa per proteggere i sistemi di accumulo di energia a batterie agli ioni di litio
Le batterie agli ioni di litio garantiscono un'elevata densità energetica in spazi davvero ridotti. Questa caratteristica le rende particolarmente adatte per i sistemi di accumulo di energia elettrica stazionari che, nel pieno della transizione energetica, sono installati in sempre più edifici e infrastrutture. Tuttavia, questi dispositivi presentano peculiari rischi di incendio. Questa criticità si può affrontare con efficacia attraverso una specifica applicazione sviluppata da Siemens, progettata appositamente per questo tipo di sistemi e provata attraverso una rigorosa fase di test. La soluzione è la prima nel suo genere a ricevere l'approvazione VdS.
Ogni cella che compone la batteria agli ioni di litio è costituita da due elettrodi: un anodo negativo e un catodo positivo. Questi sono tenuti disgiunti per mezzo di un separatore. Componente essenziale è l'elettrolita a conduzione ionica.
Questo principio funzionale, sebbene sia efficiente e generalmente sicuro, presenta dei rischi relativi alla progettazione. Le celle della batteria sono caratterizzate dalla presenza di una grande quantità di energia chimica inserita in un piccolo spazio e a una distanza davvero ridotta tra gli elettrodi (lo strato separatore in genere è di ? 30 µm). Allo stesso tempo, gli elettrodi utilizzati sono tipicamente combustibili o materiali altamente infiammabili.
Per questa ragione, un sistema di gestione della batteria (BMS) non solo controlla e monitora lo stato del caricamento a livello di sistema e della cella ma gestisce anche la temperatura rilevata in fase di caricamento e scaricamento. Questo assicura che le celle rimangano all'interno dell'intervallo operativo definito come sicuro.
Fuga termica: lo scenario pericoloso
Uscire dall'intervallo di sicurezza della temperatura può generare la cosiddetta "fuga termica". Quando accade, l'energia accumulata nella batteria è immediatamente rilasciata, e in pochi millisecondi la temperatura può raggiungere oltre i cento gradi. A questo punto, l'elettrolita s'infiamma oppure il gas elettrolitico esplode.
Nel corso di una fuga termica, l'elettrolita evapora al crescere della temperatura. Questo causa un innalzamento della pressione all'interno della cella fino a quando i vapori dell'elettrolita non iniziano a fuoriuscire da una valvola di sfiato o da una parete della cella danneggiata da una possibile esplosione. Senza contromisure efficaci, questa situazione genera una miscela esplosiva di gas e aria. A questo punto, basta una fonte di accensione per causare una combustione esplosiva. Inoltre, la fuga termica in un sistema a batterie si può propagare di cella in cella causando un incendio di più grandi dimensioni.
Le potenziali cause di una fuga termica possono essere esterne o interne alla cella della batteria. Nel primo caso, fattori estremi esterni, quali per esempio un principio d' incendio , possono causare l'innalzamento della temperatura della batteria oltre il livello di tolleranza. Nel secondo caso, un corto circuito interno può generare un innalzamento pericoloso della temperatura. Quest'ultimo potrebbe essere causato da un danneggiamento meccanico esterno o da un guasto del separatore dovuto all'età o causato dalla formazione di dendrite.
Una protezione completa per prevenire la fuga termica
I test condotti nello Smart Infrastructure Fire Lab di Siemens ad Altenrhein, in Svizzera, su batterie agli ioni di litio costituite da diverse tipologie di celle (basate su ossido di litio cobalto, ossido di litio manganese, ossido di nichel litio manganese cobalto e fosfato di litio ferro) hanno dimostrato la presenza di segnali indicatori prima che la fuga termica si manifesti concretamente. Un indicatore affidabile è il degasaggio elettrolitico. Quando il gas elettrolitico inizia a svilupparsi significa che la fuga termica è imminente. Tuttavia, c'è ancora abbastanza tempo per azionare automaticamente misure di spegnimento. Questo comporta un duplice approccio: primo, l'introduzione di un agente estinguente in sufficiente concentrazione all'interno del locale che ospita la batteria prima che il separatore all'interno della cella si guasti. Secondo, procedere con lo spegnimento attraverso il sistema di gestione della batteria così da fermare l'estensione della fuga causata dal sovraccarico.
Inondare rapidamente la batteria con l'agente estinguente previene la formazione di una grande quantità di miscela elettrolita-ossigeno altamente esplosiva, riducendo così la possibilità di sviluppo di una iniziale fuga termica e inibendo la diffusione del guasto alle celle adiacenti. Questo elimina la possibilità di incendi secondari e, attraverso l'inertizzazione prolungata, il potenziale rischio di un nuovo innesco.
Settori: Efficienza energetica industriale, Elettrotecnica, Energia, Energy storage, Rete elettrica, Rinnovabili
