Rischio di incendio nei sistemi di accumulo a batterie agli ioni di litio (BESS)

La valutazione del rischio di incendio per sistemi Li-ion

Nel contesto della ricerca accademica e normativa, la valutazione del rischio di incendio associato ai sistemi di accumulo elettrochimico rappresenta un tema di crescente rilevanza scientifica e tecnica. Negli ultimi anni, numerosi studi e linee guida internazionali (ad esempio NFPA 855, IEC 62933, UL 9540A) hanno posto le basi per una comprensione più approfondita dei fenomeni termici e chimici che governano la sicurezza dei sistemi Li-ion.

Questa analisi si inserisce in tale quadro di ricerca, con l’intento di contribuire alla definizione di metodologie quantitative applicabili alla progettazione ingegneristica della sicurezza antincendio .

L'adozione esponenziale dei sistemi di accumulo elettrochimico basati su batterie agli ioni di litio (Li-ion) rappresenta una delle trasformazioni tecnologiche più rilevanti nel panorama energetico contemporaneo. Tale diffusione è motivata da una combinazione di fattori quali l’elevata densità energetica, l’efficienza di ciclo e la ridotta manutenzione operativa.

Tuttavia, l’accumulo concentrato di energia elettrochimica introduce criticità intrinseche di sicurezza, in particolare in relazione ai fenomeni di incendio, deflagrazione e rilascio di sostanze tossiche.

La presente analisi mira a delineare una valutazione quantitativa del rischio di incendio per sistemi Li-ion, con particolare riferimento alle chimiche Litio Ferro Fosfato (LFP) e Nichel Manganese Cobalto (NMC). L’obiettivo è fornire una base metodologica per la progettazione di strategie di prevenzione e mitigazione basate su evidenze sperimentali e modelli predittivi.

Cos’è un BESS

Un Battery Energy Storage System (BESS) è un insieme di accumulatori elettrochimici (batterie) all'interno di un armadio (battery rack) o di un container (battery container), il cui scopo è immagazzinare energia elettrica e utilizzarla quando richiesto. I BESS sono considerati fondamentali per il successo della transizione energetica.

In particolare, un BESS è in grado di garantire la stabilità di una rete elettrica o di un sistema di alimentazione attraverso la regolazione della tensione e della frequenza. Grazie al suo breve tempo di risposta, si configura come una soluzione efficiente per il bilanciamento della rete.

Quando viene generata energia elettrica in eccesso rispetto alla domanda, i BESS intervengono accumulando l'energia in eccedenza per prevenire congestioni della rete. Al contrario, quando la produzione di energia è inferiore alla domanda, i BESS compensano immediatamente la carenza, contribuendo a mantenere l'equilibrio nel sistema di alimentazione elettrica.

I BESS possono essere utilizzati in diversi ambiti:

• Uso residenziale;
• Soluzioni non destinate alla produzione di massa (es. complessi residenziali o centri commerciali), costituite da moduli integrati in scaffalature per lo stoccaggio attraverso i cosiddetti “battery rack”;
• Soluzioni destinate alla produzione di massa (containerizzati), spesso collegati a parchi eolici, solari o in configurazione stand alone. Questi sono impiegati per fornire energia ad aree non servite dalla rete o per mitigare gli squilibri nella rete elettrica.

Un BESS è un impianto di accumulo elettrochimico di energia, un sistema complesso costituito da sottosistemi, apparecchiature e dispositivi necessari per l'immagazzinamento e la conversione bidirezionale dell'energia elettrica.

I componenti principali includono:

Assemblato Batterie

• Celle Elettrochimiche: Sono le unità funzionali di base in grado di trasformare l'energia elettrica in energia chimica e viceversa. Sono composte da un anodo, un catodo, un separatore e un elettrolita liquido. Le celle agli ioni di litio si presentano in tre formati fisici principali: cilindriche, prismatiche e a sacchetto (pouch cells);

• Moduli: Insiemi di celle installate in un unico telaio, connesse elettricamente in serie e parallelo per formare moduli di batterie. Ogni modulo contiene almeno un sottosistema connesso al BMS dedicato per acquisire la tensione di ogni singola cella e le temperature rilevate;

• Battery Rack (o Cabinet): Insieme di moduli collegati elettricamente e gestiti dal BMS. L'insieme di tutti i battery rack compone l'assemblato di batterie.

Battery Management System (BMS)

È il sistema di monitoraggio continuo dei parametri fondamentali delle batterie (tensione, corrente e temperatura). Il BMS ottimizza l'uso del sistema evitando condizioni di funzionamento che possano innescare il thermal runaway.

Svolge funzioni chiave come la gestione della carica (interruzione della tensione di carica quando la batteria è piena), il bilanciamento delle celle (monitoraggio delle tensioni e spegnimento in caso di squilibrio) e, nei sistemi più sofisticati, la gestione termica (monitoraggio della temperatura interna e controllo dei sistemi di raffreddamento).

Power Conversion System (PCS)

È un apparato bidirezionale di conversione DC/AC che trasforma la corrente continua generata dai battery racks in corrente alternata con un livello di tensione adeguato per connettersi alla sottostazione elettrica e alla rete.

Generalmente è composto da inverter DC/AC, un trasformatore elettrico e un quadro di media tensione.

Battery Container

Involucro che contiene i battery rack e tutti i dispositivi di gestione, monitoraggio e protezione necessari per il loro funzionamento, ed eventualmente, parte del PCS. Spesso ha la forma di container standard (es. 6 o 12 metri) e può essere accessibile internamente o meno.

Il container è dotato di impianto di climatizzazione (HVAC) e controllo della temperatura interna, sistema antincendio, rilevamento gas infiammabili e sistema antiesplosione.

Altri Sistemi e Servizi Ausiliari

• Sistema centrale di supervisione (coordina l'esercizio di due o più BESS).

• Sistemi di protezione di una singola cella, come il CID (Current Interrupt Device), la valvola di sfiato e il PTC (Positive Temperature Coefficient), che evitano che le batterie lavorino al di fuori del range di tolleranza.

• Sistemi di protezione elettrica (fusibili, interruttore DC) per interrompere l'alimentazione dei componenti esposti ad abusi.

1. Rilevatori di Off-Gasses (H2, CO, ecc.), che hanno il compito di rilevare rapidamente i prodotti gassosi rilasciati a seguito del venting della cella.

È importante sottolineare che, sebbene le batterie agli ioni di litio offrano numerosi vantaggi, presentano anche diversi rischi (elettrici, chimici, meccanici e di incendio o esplosione) legati alla loro composizione chimica. Non sono sistemi intrinsecamente sicuri; la protezione dipende dalla progettazione e dai sistemi di gestione elettronica.

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Caratterizzazione dei rischi fondamentali delle batterie li-ion

Una comprensione approfondita della fisica e della chimica dei meccanismi di guasto delle batterie è il fondamento indispensabile per la progettazione di sistemi intrinsecamente sicuri e per lo sviluppo di contromisure efficaci. Senza una chiara caratterizzazione dei pericoli primari, qualsiasi strategia di sicurezza risulterebbe puramente reattiva e potenzialmente inadeguata.

Il Meccanismo del Thermal Runaway

Il "thermal runaway" (o fuga termica) è una reazione esotermica a catena, incontrollata e autoalimentata, che costituisce il meccanismo di guasto centrale e più critico per le batterie agli ioni di litio. Una volta innescato, il processo genera un rapido e significativo aumento di temperatura e pressione all'interno della cella, portando al rilascio di energia e gas.

Le cause principali che possono innescare il thermal runaway sono classificabili in tre categorie di abuso del sistema:

• Abuso Meccanico: Danni fisici come urti, schiacciamento o penetrazione che compromettono l'integrità strutturale della cella, causando cortocircuiti interni.
• Abuso Termico: Surriscaldamento della cella dovuto a cause esterne (es. incendio nel locale) o interne (es. guasto del sistema di raffreddamento), che porta la cella al di fuori della sua finestra operativa sicura.
• Abuso Elettrico: Condizioni operative anomale come sovraccarica, sovrascarica o cortocircuiti interni/esterni, che generano calore in eccesso.

Un evento di TR in una singola cella produce diverse conseguenze immediate e a cascata.

In primo luogo, si verifica un aumento esponenziale della temperatura. Successivamente, la pressione interna porta al cosiddetto "venting", ovvero il rilascio violento di un aerosol di gas infiammabili e tossici. Se non adeguatamente controllato, il calore generato innesca il TR nelle celle adiacenti, portando a una propagazione a cascata dell'evento su scala di modulo o dell'intero sistema.

La comprensione del thermal runaway è il prerequisito per quantificare i suoi due principali prodotti: il calore rilasciato durante l'incendio e la miscela di gas infiammabili ed esplosivi.

Le diverse chimiche delle celle Li-ion presentano comportamenti differenti. I dati sperimentali indicano che le celle al Litio-Ferro-Fosfato (LFP) sono generalmente più difficili da portare al thermal runaway rispetto a quelle al Nichel-Manganese-Cobalto (NMC). Questa maggiore stabilità termica rende le LFP una scelta intrinsecamente più robusta dal punto di vista della sicurezza.

Analisi dei gas di sfiato (Off-Gas)

L'analisi dei gas di sfiato (off-gas) è di importanza critica, poiché la loro composizione e il volume rilasciato costituiscono il principale fattore di rischio per esplosioni e tossicità in ambienti confinati come i BESS.

Composizione e Volume

I test di laboratorio hanno permesso di quantificare la composizione e il volume dei gas rilasciati durante un evento di thermal runaway per le chimiche più comuni. La tabella seguente sintetizza la composizione percentuale dei principali gas infiammabili e non, basata sui dati sperimentali.

Nota: I range percentuali rappresentano la variabilità osservata in test condotti su celle NMC e LFP a diversi stati di carica (State of Charge - SOC) e in diverse condizioni di guasto (es. surriscaldamento, sovraccarica), come riportato nella fonte DNV GL - Technical Reference for Li-ion Battery Explosion Risk and Fire Suppression, Table 3.2.

Un dato cruciale emerso dai test riguarda il volume totale di gas generato. L'analisi ha evidenziato una correlazione inversa tra la presenza di combustione visibile all'esterno della cella e la quantità di gas rilasciato.

Per le celle NMC, la produzione di gas è quasi raddoppiata in assenza di combustione esterna (~6.2 L/Ah) rispetto ai casi con combustione visibile (2.0-2.6 L/Ah). Questo implica che un sistema batteria ben sigillato (es. con elevato grado IP), pur limitando la propagazione di un incendio, può aumentare significativamente il rischio di esplosione a causa del maggior volume di gas infiammabile accumulato.

Rischio di tossicità

Oltre al rischio di infiammabilità, i gas di sfiato presentano un grave pericolo tossicologico per il personale e le squadre di soccorso.

La tabella seguente elenca i principali composti tossici identificati e i loro limiti IDLH (Immediately Dangerous to Life or Health):

Fonte DNV GL - Technical Reference for Li-ion Battery Explosion Risk and Fire Suppression, Table 5.1.

Ponderando le concentrazioni di gas tipicamente rilasciate con i rispettivi valori IDLH, emerge che i gas che raggiungono per primi le soglie di pericolo immediato per la vita umana sono il monossido di carbonio (CO), il diossido di azoto (NO₂) e l'acido cloridrico (HCl).

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Si ringrazia FSE PROGETTI per la gentile collaborazione