Compartimentazione termica nei sistemi di accumulo a batterie: materiali refrattari contro la fuga termica

Una fuga termica (thermal runaway) ha origine in una singola cella: a causa di un cortocircuito interno, di un danno meccanico, di un sovraccarico o di un difetto di fabbricazione, la temperatura della cella sale al punto che la decomposizione dell’elettrolita si autoaccelera. In pochi secondi si raggiungono diverse centinaia di gradi Celsius, si sviluppano gas infiammabili (idrogeno, monossido di carbonio, idrocarburi) e un getto di particelle incandescenti. In questo stato la cella non può più essere spenta: la reazione prosegue finché l’energia accumulata non si esaurisce.

Per l’impianto il pericolo non è la singola cella, ma la propagazione: il calore della prima cella riscalda le celle adiacenti finché anche lì la soglia viene superata. Senza compartimentazione la reazione a catena attraversa il modulo, il rack e infine il container. Ogni livello che ritarda la trasmissione di qualche minuto dà al sistema di gestione della batteria il tempo di spegnere, al sistema di evacuazione dei gas il tempo di sfiatare e ai vigili del fuoco il tempo di arrivare.

• Livello di cella: temperature sulla superficie della cella oltre 600 °C, getto di particelle fino a oltre 1.000 °C
• Livello di modulo: rilascio di gas di diverse centinaia di litri per kWh, aumento di pressione nell’involucro
• Livello di rack e container: si aggiunge il carico d’incendio di materie plastiche, cavi ed elettronica
• Finestra temporale: senza barriera la propagazione tra celle adiacenti avviene tipicamente nell’arco di minuti; con una barriera efficace viene ritardata in modo significativo o interrotta

Per i sistemi di accumulo a batterie stazionari in Germania non esiste un’unica legge esaustiva: i requisiti derivano da norme di prodotto, metodi di prova, direttive degli assicuratori e normativa edilizia. Per la scelta dei materiali all’interno del container sono determinanti soprattutto i metodi di prova con cui si dimostra la sicurezza contro la propagazione.

UL 9540A è il metodo di prova diffuso a livello internazionale che analizza per gradi la propagazione di una fuga termica a livello di cella, modulo, unità e installazione. Oggi molti capitolati e assicuratori richiedono un rapporto UL 9540A; le temperature e i tempi in esso documentati sono i dati di ingresso per il dimensionamento della compartimentazione. Lo standard di installazione NFPA 855 disciplina distanze, compartimenti antincendio e concetti di spegnimento e ventilazione. In Europa la IEC 62933-5-2 descrive i requisiti di sicurezza per i sistemi di accumulo elettrochimico connessi alla rete. La direttiva VdS 3103 riassume le aspettative degli assicuratori tedeschi contro i danni ai beni nei confronti dei sistemi di accumulo agli ioni di litio.

Per i materiali refrattari stessi valgono la classificazione secondo DIN EN 13501-1 (reazione al fuoco, classe A1 per i prodotti incombustibili) e le prove di resistenza al fuoco secondo DIN EN 1363 e DIN EN 1364. Per i materiali fibrosi si aggiunge la sicurezza sul lavoro: la lana di silicato di alluminio (ASW) è soggetta alla TRGS 558 (regola tecnica tedesca per le attività con lane per alte temperature), la lana AES biosolubile no. Un aspetto che nei sistemi di accumulo a batterie risulta quasi sempre decisivo.

Una compartimentazione efficace segue la struttura del sistema di accumulo dall’interno verso l’esterno. Ogni livello ha un compito proprio, un proprio carico termico e quindi un proprio materiale adatto. Chi posa lo stesso materiale su tutti i livelli o spende troppo o protegge troppo poco il punto critico.

• Cella–cella: strati intermedi sottili da 1 a 3 mm che ritardano il trasferimento di calore alla cella adiacente, in carta di fibra ceramica biosolubile o laminati microporosi in foglio; decisivi sono lo spessore ridotto e la bassa conducibilità termica ad alta temperatura
• Modulo–modulo: pannelli da 5 a 25 mm tra i moduli nel rack; pannelli microporosi con il massimo effetto isolante per millimetro dove lo spazio è ridotto, pannelli in silicato di calcio dove serve anche resistenza a compressione
• Rack–rack e rack–parete: pareti divisorie e rivestimenti con resistenza al fuoco, in pannelli di silicato di calcio o di fibra posati a strati con giunti sfalsati e raccordi sigillati con corda in fibra
• Rivestimento interno del container: rivestimento di pareti e soffitto in materassino o pannello di fibra biosolubile, che mantiene il mantello in acciaio al di sotto della temperatura critica e impedisce la propagazione dell’incendio ai container adiacenti

A questi si aggiungono gli attraversamenti: cavi, tubazioni di raffreddamento, busbar e aperture di ventilazione attraversano ogni livello. Una parete divisoria vale quanto il suo attraversamento più debole: qui corde in fibra, guarnizioni in carta e collari antincendio diventano parte del concetto, non accessori.

Nel forno industriale è la temperatura a determinare il materiale. Nei sistemi di accumulo a batterie si aggiungono tre requisiti che influenzano la scelta in misura maggiore: lo spazio disponibile, la sicurezza sul lavoro e la distinta base del cliente.

La lana AES biosolubile (SOLUT BW Blanket, BW Board, BW Paper) è esentata dalla classificazione come cancerogena in base alla nota Q del regolamento CLP e non rientra nella TRGS 558. Per i costruttori di sistemi di accumulo ciò significa: nessuna categoria di esposizione durante la posa, nessun obbligo di etichettatura nel prodotto, nessuna comunicazione SVHC ai sensi dell’art. 33 del regolamento REACH. Con una temperatura di classificazione di 1.200 °C copre le temperature che si verificano su pareti e soffitto durante la fuga termica. Il suo limite pratico di impiego continuo, inferiore a circa 900 °C, qui non ha rilevanza: il caso di carico è un evento della durata di minuti, non un esercizio continuo.

I pannelli microporosi (SOLUT MP Board) offrono la conducibilità termica più bassa fra tutti gli isolanti, circa 0,02–0,03 W/mK a 200–400 °C, e quindi il massimo effetto barriera per millimetro. Sono il materiale d’elezione tra i moduli, dove ogni millimetro di spazio costa densità energetica. Sono privi di fibre, incombustibili (A1) e disponibili rivestiti con foglio di alluminio, tessuto di vetro o film in PE, così da non generare polvere durante la movimentazione.

I pannelli in silicato di calcio (SOLUT CAL Board) si impiegano dove la barriera deve anche sostenere carichi: sotto i rack, come pareti divisorie con fissaggi, come appoggio per componenti. Resistenza a compressione da 13 a 27 N/mm² con temperatura di classificazione di 1.000 °C, privi di fibre e lavorabili con utensili per legno.

• Strati intermedi tra celle: SOLUT BW Paper 1–3 mm o laminato microporoso
• Separazione dei moduli: SOLUT MP Board 5–25 mm, rivestito
• Pareti divisorie portanti e appoggi: SOLUT CAL Board 12,7–50 mm
• Rivestimento di pareti e soffitto del container: SOLUT BW Blanket 25–50 mm o BW Board
• Attraversamenti e giunti: corda in fibra e BW Paper, combinati con sistemi di compartimentazione omologati in corrispondenza dei compartimenti antincendio

La seguente panoramica mette a confronto i quattro principali materiali barriera, con i valori caratteristici davvero decisivi nei sistemi di accumulo: conducibilità termica in caso di evento, ingombro, resistenza meccanica e stato normativo.

La migliore scelta dei materiali non serve a nulla se la barriera presenta lacune. Dalle nostre installazioni conosciamo quattro punti deboli ricorrenti: giunti di testa aperti tra i pannelli, attraversamenti non sigillati, fissaggi in acciaio che attraversano l’isolamento come ponti termici e strati isolanti che vengono schiacciati durante l’assemblaggio, perdendo così spessore ed effetto isolante.

• Sfalsare i giunti dei pannelli su due strati o eseguirli a maschio e femmina; sui giunti a strato singolo applicare una corda in fibra sul retro
• Disegnare ogni attraversamento come dettaglio a sé: corda, carta o collare, con lunghezza di tenuta almeno pari allo spessore del pannello
• Separare termicamente i fissaggi: ancoraggi in ceramica o acciaio inossidabile con distanziale anziché viti in acciaio passanti
• Verificare lo spessore dell’isolamento allo stato posato, non allo stato di fornitura; documentare serraggio e compressione
• Valutare rivestimenti e film sul lato esposto all’evento: proteggono durante la movimentazione, ma in caso di incendio non hanno funzione portante

La verifica avviene in due fasi: i valori caratteristici dei materiali derivano dalle schede tecniche e dalle classificazioni di reazione al fuoco, l’effetto barriera del sistema da una prova di propagazione a livello di modulo o di unità, opportunamente secondo UL 9540A, perché in questo modo i risultati sono utilizzabili anche da assicuratori e autorità competenti per le autorizzazioni. Forniamo i dati dei materiali e seguiamo la realizzazione dei provini, affinché il sistema provato corrisponda a quello che verrà poi installato.

La maggior parte dei ritardi nei progetti di accumulo non si verifica durante la posa, ma prima, perché mancano i dati di base quando si devono confrontare le offerte. Questi dodici punti vanno chiariti prima di inviare la prima richiesta:

• Sono disponibili i rapporti UL 9540A del fornitore di celle/moduli a livello di modulo e di unità? Quali temperature e tempi sono stati misurati?
• L’obiettivo di protezione è definito: impedire la propagazione cella–cella, ritardarla modulo–modulo o soltanto separare container da container?
• È stato fissato lo spazio disponibile per ogni livello (mm tra celle, moduli, rack)?
• Sono stati acquisiti i requisiti dell’assicuratore (VdS 3103, eventuali prescrizioni proprie)?
• È richiesta per i materiali la reazione al fuoco in classe A1 secondo DIN EN 13501-1?
• È richiesta una distinta base priva di fibre, oppure è ammessa la fibra biosolubile (nota Q)?
• Sono stati contati gli attraversamenti ed è stato definito un dettaglio di sigillatura per ogni tipo (cavo, tubazione di raffreddamento, busbar, ventilazione)?
• È stato progettato un sistema di fissaggio senza ponti termici passanti?
• È stata calcolata la compressione degli strati isolanti durante l’assemblaggio? Qual è lo spessore allo stato posato?
• Sono stati previsti i provini per la prova di propagazione (materiale, data, istituto di prova)?
• Produzione in serie: taglio come kit o come singoli pezzi? Sono state definite le tolleranze?
• Concetto di smontaggio e ricambi: come si ripristina una barriera dopo un intervento di manutenzione?

Nell’esercizio normale una barriera termica non lavora: attende. Proprio per questo viene facilmente danneggiata durante manutenzioni e modifiche: i pannelli vengono rimossi per l’accesso e rimontati in modo incompleto, le guarnizioni degli attraversamenti vanno perse durante la sostituzione dei cavi, gli strati isolanti vengono schiacciati da componenti aggiunti in un secondo momento. Nella documentazione di manutenzione deve quindi figurare un piano di compartimentazione che indichi ogni barriera, ogni attraversamento e ogni guarnizione.

• Dopo ogni intervento: controllo visivo della barriera interessata rispetto al piano di compartimentazione, foto nel fascicolo
• Ogni anno: controllo a campione delle guarnizioni degli attraversamenti e della compressione degli strati isolanti
• Dopo un evento termico: sostituire completamente le barriere interessate; anche la lana biosolubile e i pannelli microporosi perdono le loro proprietà dopo il passaggio della temperatura
• In caso di smontaggio: separare i materiali in base all’etichettatura; i materiali biosolubili e privi di fibre non sono rifiuti pericolosi, mentre i residui di ASW rientrano nel codice dell’Elenco europeo dei rifiuti 170603*