La sicurezza dei veicoli elettrici in ambienti confinati: analisi del rischio di esplosione in garage residenziale

Con l'aumento della diffusione dei veicoli elettrici, emergono preoccupazioni per la sicurezza, specialmente riguardo al rischio di esplosioni in spazi confinati come i garage residenziali. Un incidente avvenuto in Corea nel 2024, in cui un veicolo elettrico ha subito un'esplosione in un parcheggio sotterraneo, ha evidenziato tali rischi.
Lo studio analizza i rischi principali associati agli EV, con un focus specifico sulle problematiche legate all'uso delle batterie agli ioni di litio, tra cui malfunzionamenti durante la ricarica, danni fisici alla batteria, fuga di gas (venting), fuga termica (thermal runaway) e ventilazione inadeguata. Il rilascio di gas infiammabili durante fenomeni di venting e thermal runaway, aggravati da ventilazione insufficiente, incrementa la possibilità di esplosioni. Il presente studio si prefigge di offrire metodologie di calcolo per la stima degli effetti di un'esplosione all'interno di un garage residenziale, con l'obiettivo di fornire strumenti utili per la comprensione e la previsione di tali eventi. Sebbene il rischio di incidenti sia basso, è fondamentale affrontare questi pericoli per integrare i veicoli elettrici in sicurezza negli ambienti residenziali.

Perchè le batterie agli ioni di litio posso essere pericolose 

Le batterie agli ioni di litio rappresentano la tecnologia più diffusa nel settore della mobilità (veicoli, monopattini, bici o veicoli elettrici ibridi plug-in). La scelta di tali dispositivi è motivata dall'elevata densità energetica e potenza, in combinazione con un peso ridotto e un minore effetto di scarica, rispetto alle tecnologie precedentemente utilizzate.
L'aumento nell'utilizzo di questi dispositivi ha portato a un incremento degli incidenti che li coinvolgono. La pericolosità delle batterie agli ioni di litio è attribuibile sia alla composizione chimica di ciascuna cella sia alle condizioni ambientali cui sono sottoposte.

Ogni cella, infatti, possiede condizioni ottimali di funzionamento in termini di temperatura (0-80°C) e tensione (2-4V), che definiscono la finestra operativa entro la quale l'uso delle batterie è considerato sicuro. Quando temperatura e tensione escono da questo intervallo operativo, si verificano reazioni chimiche indesiderate che causano danni irreversibili al sistema, portando a una perdita di prestazioni e a un invecchiamento precoce, con conseguenze sulla sicurezza.

Questo fenomeno comporta un rilascio incontrollato di calore che non può essere completamente dissipato dai sistemi di raffreddamento di cui è dotata la batteria, portando a un rapido aumento della temperatura della cella. Questo aumento di temperatura (e di pressione all’interno della cella) è accompagnato dal rilascio di gas infiammabili (venting) che, a causa delle elevate temperature raggiunte dalla cella, possono facilmente incendiarsi. Il guasto di una cella o il suo surriscaldamento può propagarsi alle celle vicine, fino a coinvolgere un intero modulo o l'intera batteria. I gas rilasciati in questo caso in quantità rilevante, se non innescati, possono accumularsi all'interno o all'esterno del veicolo, miscelandosi con l'aria, il che può portare a una possibile esplosione.

Il thermal runaway (fuga termica) di una batteria può essere quindi responsabile non solo del rilascio di gas e vapori tossici e di effetti termici (incendio), ma anche di effetti meccanici, come la sovrapressione e la proiezione di frammenti (esplosione) (Baird et al., 2020)
Il lavoro propone metodologie di calcolo per la valutazione degli effetti di un'esplosione in un garage residenziale attraverso l’analisi di un caso studio.

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Caso studio

Nel presente studio, si ipotizza l'esistenza di una piccola autorimessa caratterizzata da un ampio portone in legno e un corpo di fabbrica in muratura. Le dimensioni della struttura sono le seguenti: altezza di circa 2,50 m, lunghezza di circa 11,5 m e larghezza di circa 4,50 m (volume di 130 m³). La copertura è costituita da un solaio in laterocemento, progettato con una falda inclinata. Tale autorimessa è presunta essere destinata al parcheggio di veicoli, tra cui una autovettura elettrica. La batteria dell’autovettura in questione è considerata con uno stato di carica pari al 50% al momento dell'incidente simulato.

Per l'analisi del caso, si considera un veicolo elettrico alimentato da una batteria agli ioni di litio con le seguenti caratteristiche tecniche:

• Energia utilizzabile: 41 kWh;
• Tensione nominale: 360 V DC;
• Potenza massima: 80 kW;
• Tensione di esercizio: tra 240 V e 403 V DC

Le caratteristiche della batteria sono le seguenti:

• Peso totale: 305 kg;
• Capacità totale: 45,61 kWh (stima sulla base della capacità utilizzabile);
• Capacità disponibile: 41 kWh;
• Moduli: 12;
• Celle: 192, ognuna con una capacità nominale di 63,35 Ah e tensione nominale di 3,75 V;
• Peso totale delle celle: 180,12 kg (stima sulla base del peso complessivo della batteria);
• Composizione chimica: NCM 622 (Nichel-Cobalto-Manganese 60%-20%-20%) Caratteristiche della singola cella:;
• Capacità nominale: 65,6 Ah (scaricata a 21,6 A) - 64,8 Ah (scaricata a 32,5 A);
• Capacità minima: 64,6 Ah (scaricata a 21,6 A) - 63,8 Ah (scaricata a 32,5 A);
• Tensione nominale: 3,6 V;
• Tensione di ricarica: 4,2 V

Queste specifiche forniscono un quadro preciso della capacità e delle prestazioni della batteria, elemento cruciale per la valutazione dei potenziali rischi associati al malfunzionamento e all'eventuale esplosione della batteria in scenari di emergenza. La batteria agli ioni di litio, particolarmente sensibile a sovraccarichi, danni fisici e temperature elevate, rappresenta un componente critico in contesti di spazio confinato come quello di una autorimessa residenziale.

Lo scenario ipotizzato per l’esplosione prevede che i gas provenienti dalla batteria dell’autovettura elettrica possano derivare da un eventuale thermal runaway (fuga termica), causato da un guasto alla batteria stessa. Questi gas, infiammabili, sono composti principalmente da idrogeno, monossido di carbonio e metano (Baird et al., 2020; Ubaldi e Russo, 2024).

Gli effetti dell'esplosione

Calcolo del volume di gas infiammabile emesso dalla batteria

La fuoriuscita di gas da una batteria in thermal runaway produce una miscela di gas, tra cui idrogeno, monossido di carbonio (CO), metano e altri idrocarburi, che possono formare una miscela infiammabile con l'aria. Questo rappresenta un rischio di esplosione in spazi chiusi. L'evento potrebbe essere causato da un corto circuito interno alla batteria, con conseguente aumento della temperatura, emissione di gas infiammabili e il rischio di esplosione o incendio. La composizione della miscela di gas varia in base alla chimica della batteria, allo stato di carica e alle circostanze che hanno innescato la fuga termica.

Nel caso delle celle NMC (nickel-manganese-cobalto) con capacità nominale di 63 Ah, i test condotti dal DNV (2019) hanno mostrato che le celle a diversi livelli di carica (50%, 75%, 100%) rilasciano volumi variabili di gas. In particolare, la cella con stato di carica al 50% rilasciato un volume significativamente maggiore di gas, senza causare combustione visibile all'esterno della cella (Tabella 1).

Perché un’esplosione possa avere luogo, occorre che la concentrazione del combustibile nella miscela combustibile-aria sia entro i limiti di infiammabilità (LFL-UFL).

Nel caso specifico poiché i gas emessi dalla batteria sono composti da una miscela di gas è possibile calcolare il campo di infiammabilità della miscela combustibile-aria a partire da quella dei singoli componenti la miscela di gas. A questo scopo è stata utilizzata la formula di Le Chatelier (Crowl and Louvar, 2011), per il calcolo del LFL (limite inferiore di infiammabilità):

Dove xi è la composizione del singolo gas i nella miscela combustibile e LFL è il limite inferiore di infiammabilità del singolo gas. Un’analoga correlazione è stata utilizzata per il calcolo dell’UFL (limite superiore di infiammabilità. I risultati dei calcoli condotti sono riportati nella tabella 2, da cui si evince che l’intervallo di infiammabilità dei gas emessi dalla batteria della auto elettrica è 5,4-34,0 %vol.

Pertanto, la quantità minima dei gas emessi dalla batteria che in presenza di un innesco può causare un’esplosione nel garage è di 7 m³:
Volume Minimo Gas batteria= LFL x Volume garage= 5,4/100 x 130 = 7 m³

Invece, per raggiungere una concentrazione stechiometrica (Cstec=16,9 %vol) in aria, il volume dei gas emessi dalla batteria deve essere pari a circa 22 m3:

Dalla Tabella 1 emerge che una cella NMC con 50% di stato di carica emette un volume di gas pari a 458 L/cella, con un valore normalizzato di 7 L/Ah. Considerando che la batteria analizzata è composta da 192 celle da 3,75 V e 63 Ah (pari a 236 Wh per cella), il volume totale massimo di gas emesso può raggiungere circa 88 m³.

Per raggiungere una concentrazione infiammabile (LFL), sarebbe sufficiente che 16 celle della batteria subissero un corto circuito. Per raggiungere invece la concentrazione stechiometrica, il guasto dovrebbe coinvolgere 44 celle.
Le elevate temperature generate all'interno della batteria, a seguito della propagazione del thermal runaway a un numero crescente di celle, possono fornire l’energia necessaria per innescare un'esplosione.

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Nei prossimi paragrafi si parlerà di:

• Calcolo della sovrapressione generata dall'esplosione;
• Valutazione del danno;
• Conclusioni dell'articolo