Auto elettriche e veicoli elettrici : approfondimenti e news

Le batterie da trazione, come quelle utilizzate in veicoli elettrici, possono prendere fuoco per diverse ragioni, ma i casi di incendi sono relativamente rari. Ecco alcune delle cause principali:

Cortocircuiti: Un cortocircuito all'interno della batteria o nel sistema elettrico del veicolo può generare un surriscaldamento che potrebbe portare all'incendio. I cortocircuiti possono verificarsi a causa di difetti nella progettazione, nell'assemblaggio o nell'uso improprio delle batterie.
Surriscaldamento: Le batterie al litio sono sensibili alle alte temperature. L'eccessivo riscaldamento può danneggiare i componenti interni e causare la liberazione di sostanze infiammabili. Questo può accadere a causa di un'errata gestione termica, scarsa ventilazione o esposizione prolungata a temperature estremamente elevate.
Sovraccarico: Se una batteria viene sovraccaricata, può generare calore in eccesso, danneggiare le celle e causare l'incendio. Questo problema può verificarsi in situazioni in cui il sistema di gestione della batteria non funziona correttamente o in caso di utilizzo di caricabatterie non adatti.
Urti e Danni fisici: Le batterie possono essere danneggiate fisicamente in seguito a incidenti stradali o a impatti. Questo danneggiamento può compromettere l'integrità delle celle e portare a situazioni pericolose.
Invecchiamento e usura: Nel corso del tempo, le batterie perdono capacità e possono diventare meno stabili. Una batteria anziana e usurata è più suscettibile a problemi come cortocircuiti o surriscaldamento.
Materiali e processi di produzione difettosi: Problemi nella produzione o nell'assemblaggio delle batterie possono portare a difetti che aumentano il rischio di incendi.

Per prevenire incendi nelle batterie da trazione, vengono adottate misure di sicurezza rigorose durante la progettazione, la produzione e l'uso dei veicoli elettrici. Ciò include sistemi di gestione termica avanzati, sistemi di gestione della batteria per monitorare lo stato delle celle e proteggerle da sovraccarico e sovrascarico, nonché regole di sicurezza per il trasporto e la manipolazione delle batterie. Tuttavia, è importante notare che, come con qualsiasi tecnologia, non è possibile eliminare completamente il rischio di incendi, ma è possibile ridurlo in modo significativo con le precauzioni adeguate.

Quali sono le batterie più a rischio di incendio?

Le batterie al litio sono generalmente le più a rischio di incendio tra tutti i tipi di batterie comuni. Questo perché le batterie al litio contengono materiali altamente reattivi e infiammabili, e se vengono danneggiate o utilizzate in modo improprio, possono generare calore in modo incontrollato, causando incendi o esplosioni. In particolare, le batterie al litio possono presentare diversi rischi:

Batterie agli ioni di litio: Queste sono le batterie più comuni utilizzate in dispositivi elettronici portatili, veicoli elettrici, e molte altre applicazioni. Sono soggette a incendi se vengono perforate, schiacciate o sottoposte a sovraccarico o surriscaldamento. Il calore eccessivo può causare la liberazione di gas infiammabili o la rottura della guaina protettiva.
Batterie al litio-polimero: Questo tipo di batteria è simile alle batterie agli ioni di litio, ma utilizza un'elettrolita solido o gelatinoso. Anche se sono meno soggette a perdite di liquidi, possono comunque prendere fuoco se danneggiate o utilizzate in modo improprio.
Batterie al litio-ferro-fosfato (LiFePO4): Queste batterie sono note per essere più stabili e meno soggette agli incendi rispetto alle batterie al litio-ion tradizionali. Tuttavia, non sono completamente prive di rischi e possono ancora prendere fuoco in circostanze particolari.

Le batterie al litio sono ampiamente utilizzate a causa della loro alta densità energetica e delle prestazioni, ma è importante trattarle con cautela per prevenire incendi. Le misure di sicurezza, come sistemi di gestione della batteria, sistemi di raffreddamento adeguati e procedure di ricarica sicure, sono fondamentali per ridurre il rischio di incendi.

Nel complesso, la gestione del rischio è cruciale, sia nell'uso quotidiano delle batterie al litio che nella progettazione di dispositivi o sistemi che le utilizzano. La conformità agli standard di sicurezza, la manutenzione corretta e la gestione attenta delle batterie sono modi efficaci per ridurre il rischio di incendi.

Qual è il processo chimico alla base dell'incendio nelle batterie elettriche?

Gli incendi nelle batterie elettriche, in particolare nelle batterie al litio, sono il risultato di un processo chimico noto come "reazione termica incontrollata" o "reazione esotermica incontrollata". Questo processo coinvolge le seguenti reazioni chimiche principali:

Decomposizione dell'elettrolita: All'interno di una batteria al litio, c'è un elettrolita liquido o solido che funge da mezzo per il trasporto degli ioni tra gli elettrodi positivo e negativo. In condizioni anomale, come il surriscaldamento o il danneggiamento meccanico, l'elettrolita può iniziare a decomporsi. Questa decomposizione libera gas altamente infiammabili, come il metano e l'idrogeno.
Ossidazione dell'anodo di litio: L'anodo (l'elettrodo negativo) di una batteria al litio è spesso realizzato in litio metallico o in leghe di litio. Quando la batteria è danneggiata o surriscaldata, il litio può reagire con l'umidità nell'ambiente o con l'ossigeno nell'aria, generando calore e più gas infiammabili.
Reazioni a catena: Le reazioni di decomposizione e ossidazione possono diventare autocatalitiche, il che significa che liberano calore, che a sua volta accelera ulteriormente le reazioni chimiche. Questo processo a catena può portare a un aumento rapido della temperatura all'interno della batteria, causando la generazione di gas e la possibile rottura della guaina protettiva della batteria stessa.

Una volta che la temperatura all'interno della batteria raggiunge un certo punto critico, i gas infiammabili possono infiammarsi, dando origine a un incendio o a un'esplosione. Questo incendio può essere molto intenso e difficile da spegnere, specialmente nelle batterie di grandi dimensioni.

Per prevenire gli incendi nelle batterie al litio, vengono utilizzati sistemi di gestione della batteria che monitorano la temperatura e la tensione della batteria, interrompendo la carica o la scarica in caso di situazioni anomale. Inoltre, i dispositivi di protezione termica e i materiali di guaina ignifuga vengono utilizzati per contenere i danni in caso di incendio. Tuttavia, è importante trattare le batterie con cautela e seguirne le specifiche istruzioni di sicurezza per ridurre il rischio di incidenti.

Che cosa è il thermal runaway?

Il termine "thermal runaway" si riferisce a un processo in cui la temperatura di un sistema o di un dispositivo aumenta in modo incontrollato, spesso a causa di reazioni chimiche esotermiche che generano calore a una velocità superiore a quella con cui il calore può essere dissipato o raffreddato. Questo processo può portare a un ciclo autoalimentante in cui il calore generato provoca ulteriori reazioni chimiche che a loro volta generano più calore, aumentando ulteriormente la temperatura. Nel contesto delle batterie, il thermal runaway è un evento critico e pericoloso che può portare a incendi o esplosioni.

Nelle batterie al litio, il thermal runaway può verificarsi quando una serie di reazioni esotermiche inizia a causa di un surriscaldamento, di un cortocircuito, di un danneggiamento meccanico o di altre anomalie. Queste reazioni possono coinvolgere la decomposizione dell'elettrolita, l'ossidazione dell'anodo di litio e la generazione di gas altamente infiammabili. Poiché queste reazioni liberano calore, la temperatura all'interno della batteria può aumentare rapidamente, portando alla creazione di ulteriori gas infiammabili e a una crescita incontrollata della temperatura.

Il thermal runaway può culminare in un incendio o in un'esplosione della batteria, che può essere estremamente pericoloso. Per prevenire il thermal runaway e ridurre il rischio di incendi nelle batterie, vengono adottate misure di sicurezza come sistemi di gestione della batteria, sistemi di raffreddamento adeguati e materiali di guaina ignifuga. La ricerca continua è focalizzata sullo sviluppo di batterie più sicure e sulla comprensione dei meccanismi che portano al thermal runaway al fine di prevenirlo in modo più efficace.

Quali sono i principali sistemi di prevenzione degli incendi e del therma runaway nelle batterie elettriche?

I veicoli elettrici e altri dispositivi alimentati da batterie al litio sono dotati di diversi sistemi di prevenzione degli incendi per garantire la sicurezza degli utenti. Alcuni dei principali sistemi di prevenzione degli incendi nelle batterie elettriche includono:

Sistema di gestione della batteria (Battery Management System, BMS): Il BMS è un componente essenziale per il monitoraggio e la gestione delle batterie. Esso controlla la temperatura, la tensione e la corrente della batteria in tempo reale e può intervenire per prevenire situazioni di surriscaldamento o sovraccarico. Se il BMS rileva condizioni anomale, può disattivare temporaneamente la batteria o limitarne la carica o la scarica.
Sistemi di raffreddamento: I veicoli elettrici sono spesso dotati di sistemi di raffreddamento per mantenere la temperatura delle batterie entro limiti sicuri. Questi sistemi possono utilizzare liquidi di raffreddamento o sistemi di raffreddamento ad aria per dissipare il calore generato durante la ricarica o la guida.
Materiali di guaina ignifuga: Le batterie sono spesso racchiuse in involucri o guaine resistenti al fuoco che aiutano a contenere eventuali incendi all'interno della batteria. Questi materiali sono progettati per resistere alle alte temperature e per impedire la propagazione delle fiamme.
Dispositivi di spegnimento automatico: Alcuni veicoli elettrici sono equipaggiati con sistemi di spegnimento automatico che possono essere attivati in caso di rilevamento di situazioni pericolose. Questi sistemi possono interrompere la corrente elettrica o isolare la batteria per prevenire incendi.
Sistemi di isolamento delle celle: In alcune batterie, le celle individuali sono separate da materiali isolanti che impediscono la diffusione di problemi da una cella all'altra. Questo può contribuire a prevenire il thermal runaway.
Procedure di carica sicura: I veicoli elettrici includono spesso procedure di carica sicura, che regolano la ricarica in modo da evitare situazioni di sovraccarico che potrebbero portare all'incendio.

Questi sistemi di prevenzione degli incendi sono fondamentali per garantire la sicurezza nelle batterie elettriche. Tuttavia, è importante notare che i rischi possono essere minimizzati ulteriormente con una manutenzione regolare, il rispetto delle procedure di sicurezza e una corretta gestione delle batterie.

Che cos'è e come funziona un battery management system (BMS)?

Un Battery Management System (BMS) è un componente critico nei veicoli elettrici e in altre applicazioni di accumulo di energia, che ha il compito di monitorare e gestire le batterie. Questo sistema è stato sviluppato originariamente per garantire una maggiore sicurezza nei trasporti aerei, ma ora trova applicazione anche nel settore automobilistico grazie alla crescente diffusione dei veicoli elettrici.

Ecco come funziona un BMS:

Monitoraggio delle celle: Un BMS monitora costantemente ogni singola cella della batteria. Le batterie nei veicoli elettrici sono composte da più celle al litio collegate in serie e parallelo. Monitorando le tensioni, le temperature e altre variabili di ciascuna cella, il BMS può individuare anomalie o squilibri tra le celle.
Gestione della carica: Il BMS controlla il processo di carica delle batterie, assicurandosi che le celle vengano caricate in modo uniforme e senza sovraccarico. Questo aiuta a prevenire danni alle celle e a prolungare la vita utile della batteria.
Gestione della scarica: Il BMS monitora anche il processo di scarica delle batterie, impedendo che le celle si scarichino troppo eccessivamente, il che potrebbe danneggiarle.
Stato di carica (SOC) e stato di salute (SOH): Il BMS calcola lo stato di carica (SOC), che rappresenta la quantità di energia rimanente nella batteria, e lo stato di salute (SOH), che indica la condizione generale della batteria. Questi dati aiutano a determinare l'autonomia della batteria e la sua capacità residua.
Bilanciamento delle celle: Per evitare uno sbilanciamento tra le celle, il BMS può intervenire per regolare la carica o la scarica di ciascuna cella individualmente. Questo assicura che tutte le celle lavorino in modo uniforme e contribuisce a mantenere l'efficienza della batteria.
Controllo termico: Il BMS monitora e controlla anche la temperatura delle celle. Le alte temperature possono danneggiare le batterie al litio, quindi il BMS regola la temperatura per mantenerla entro limiti sicuri.
Sicurezza: Il BMS è dotato di sistemi di protezione che possono disattivare la batteria in caso di situazioni di emergenza o di anomalie, come il surriscaldamento o il cortocircuito.

Il BMS è essenziale per garantire il funzionamento sicuro e l'ottimizzazione delle prestazioni delle batterie nei veicoli elettrici. Grazie al monitoraggio costante e alla gestione intelligente, contribuisce a prevenire situazioni di surriscaldamento, sovraccarico o scaricamento eccessivo delle batterie, migliorando la sicurezza e la durata delle batterie stesse. Inoltre, con l'uso di tecnologie di cloud computing e di machine learning, il BMS può ottimizzare ulteriormente le prestazioni delle batterie e migliorare la loro affidabilità nel tempo.

Mercoledì, 3 Aprile 2019
Veicoli elettrici
Written by ENG Service

I veicoli elettrici : quale impatto sull'ambiente e sulla rete di distribuzione elettrica

La diffusione dei veicoli elettrici : i numeri

Annunciata da almeno un decennio , la rivoluzione dei veicoli elettrici a batteria ( Battery Electric Vehicle, BEV ) , sembra essere davvero alle porte. Per quanto riguarda le auto , le statistiche degli ultimi anni a livello mondiale indicano parlano chiaro : +70% nel 2018 rispetto al 2017 , +40% nel 2019 sul 2018 , con la Cina principale mercato mondiale dove le auto elettriche nel 2018 sono raddoppiate rispetto al 2017 , con 1,5 milioni di auto elettriche in circolazione nel paese .

Ancora più alta è la penetrazione nel mercato che riguarda il traffico cittadino : la diffusione di mezzi pubblici a trazione elettrica è tra gli obiettivi di quasi tutte le metropoli occidentali , mentre i cosiddetti veicoli elettrici da ultimo miglio come bici elettriche ( dette anche e-bike ) o a pedalata assistita , gli scooter elettrici , le bighe elettriche ( note anche come segway dal nome del primo produttore che le ha immesse nel mercato ) , gli overboard , i monopattini elettrici , gli e-pitbike e i quad elettrici sono ormai parte integrante della nostra esperienza quotidiana nelle grandi città e non solo.

Inevitabile che questo rapido incremento dei mezzi a batteria richiederà un consistente aumento nella fornitura e distribuzione di energia elettrica : oggetto di questo articolo sono due :

- analizzare quanto gli effetti sull'ambiente dei veicoli elettrici dipendano dalle fonti di energia utilizzata per produrre l'energia necessaria alla ricarica delle batterie
- quale impatto può avere questo incremento sulla produzione ( quanto e come ) e distribuzione dell'energia elettrica , soprattutto in Italia .

I rendimenti e le energie in gioco : è davvero conveniente per l'ambiente l'auto elettrica ?

La prima domanda che un neofita potrebbe porsi è se l'auto elettrica , e i veicoli elettrici in generale , comportino davvero convenienze per l'ambiente rispetto ai veicoli tradizionali a combustione .

Nel veicolo a combustione vi è infatti conversione di energia chimica in energia termica ed infine in energia meccanica per svolgere un lavoro , con produzione di un determinato quantitativo di CO2 ed altri agenti inquinanti , immediatamente visibili dallo stesso utilizzatore finale.

Nel veicolo elettrico , dal lato dell'utilizzatore , vi è conversione di energia elettrica in energia meccanica senza emissione locale di anidride carbonica , polveri sottili ed altri agenti inquinanti , ma è naturale chiedersi :

1) come viene prodotta questa energia elettrica : da combustibili fossili , da energia nucleare , da fonti rinnovabili ? La risposta varia ovviamente da nazione a nazione e nelle righe che seguono analizzeremo il caso italiano ;
2) quanta di questa energia è necessario produrre a parità di lavoro meccanico svolto per effettuare lo stesso spostamento in termini di spazio ( km ) .
3) quanta energia non rinnovabile è necessario utilizzare per le attività non legate alla sola percorrenza chilometrica : per i mezzi tradizionali possiamo considerare ad esempio i costi in termini economici ed ambientali per l'estrazione , la raffinazione e il trasporto dei carburanti , per i veicoli elettrici una questione molto importante sono i costi ambientali di produzione e smaltimento delle batterie .

Lasceremo la terza questione come uno spunto di riflessione per far capire che un'analisi costi/benefici davvero completa è molto più complessa di quanto la si voglia far sembrare. Trattarla ci porterebbe molto fuori dall'oggetto di questa trattazione , suggeriamo questo link per approfondire .

Proviamo a rispondere invece alle prime due domande , individuando 4 diverse possibili situazioni :

A) l'energia elettrica è prodotta localmente da fonti rinnovabili . E' il caso in cui il cliente con il veicolo elettrico possa accedere , presso la propria abitazione o altri punti di ricarica , a colonnine di ricarica con energia prodotta sul posto da fotovoltaico , eolico o altre fonti rinnovabili . Questa situazione è quella ideale per l'ambiente , perché sono praticamente nulle sia le emissioni di CO2 ed inquinanti che le perdite per il trasporto dell'energia. Le uniche perdite si hanno nel sistema di ricarica delle batterie ( rendimento circa l'80% ) e nella trasformazione dell'energia elettrica in energia meccanica dovuta al motore elettrico , ma va specificato che i motori elettrici hanno rendimenti molto elevati se paragonati ai motori termici ( superiori all'80% con valori tipici intorno al 90-95% ) .

Una parentesi riguardo le perdite alla colonnina di ricarica è doverosa : l'energia persa è dovuta in questo caso alla dissipazione termica per effetto Joule sui componenti . L'effetto Joule sui cavi elettrici e sugli altri componenti della stazione di ricarica è tanto più alto quanto più è alta la corrente e tanto più basso quanto più sono sovradimensionate le sezioni e le portate. A meno di sovradimensionare i componenti della stazione di ricarica , pertanto , l'esigenza di ridurre le perdite è in contrasto con l'esigenza di ridurre i tempi di ricarica.

B) l'energia elettrica è prodotta da fonti rinnovabili in punti remoti rispetto al punto di ricarica , ovvero presso centrali elettriche ( idroelettiche , ecc ) o impianti di generazione ( fotovoltaico , eolico , ecc ) . Questo caso è meno ideale del precedente , ma sempre molto conveniente per l'ambiente : oltre alle perdite del motore ci sono le perdite sulla rete di distribuzione , ma la produzione di CO2 , inquinanti e altri svantaggi per l'ambiente resta comunque nulla.

C) l'energia elettrica è prodotta da energia nucleare ( che ovviamente non può che essere "remota" rispetto al punto di ricarica , a meno di non avere una centrale nucleare in casa ! ) . Abbiamo evidenziato la casistica dell'energia nucleare in un caso a parte perché :

- non si tratta di un'energia fossile , seppure non sia a zero emissioni di CO2 considerando l'intero ciclo di vita dell'impianto di produzione ( ma in questo senso non lo sono neanche gli impianti fotovoltaici ed eolici ) ;
- pur avendo un impatto relativamente basso di CO2 e gas serra , implica comunque una serie di svantaggi dal punto di vista ambientale in caso di incidenti alla centrale stessa , nello smaltimento dei rifiuti e al termine del ciclo di vita della centrale , che sono ampiamente dibattuti e che in Italia hanno portato all'abbandono di questa fonte di energia ;
- proprio per la rinuncia italiana al nucleare , la quota di energia elettrica prodotta da nucleare comporta ancora maggiori perdite nel sistema di distribuzione dovute alla sua importazione dall'estero.

D) l'energia elettrica è prodotta da centrali che impiegano combustibili fossili . Ovviamente questa situazione è la più sfavorevole per l'ambiente rispetto alle precedenti e l'analisi deve farsi più qualitativa : da entrambe le parti c'è all'origine un'energia termica generata da carburanti fossili , il confronto va fatto tenendo conto del rendimento di una centrale elettrica con combustibile fossile ( carbone ? gasolio ? gas ) e quello di un motore a combustione interna di un'automobile tradizionale.

Andrebbero confrontati :

- da una parte il rendimento totale del sistema centrale elettrica - rete di distribuzione - motore elettrico e quindi , per percorrere ipotizziamo 1km , quanto combustibile sarebbe necessario e quanti gas serra emette ;
- dall'altra parte il rendimento del solo motore del veicolo tradizionale e le sue emissioni di CO2 per percorrere lo stesso km.

Se prendiamo valori tipici e facciamo confronti considerando le tante casistiche di auto a combustione ( auto diesel ? benzina ? gas ? Euro 4 ? Euro 5 ? Euro 6 ? ) e di centrali elettriche ( una centrale a carbone inquina molto di più di una centrale a gas ) , ci rendiamo conto che quando l'energia che alimenta il veicolo BEV proviene da fonti fossili la convenienza dell'auto elettrica non è così scontata ed entrano in gioco mille sfaccettature : età del parco auto ( sia tradizionale che elettrico ) , tipologia di centrale , qualità del sistema di distribuzione.

Se consideriamo ad esempio un caso più favorevole per le auto tradizionali , ovvero considerando un moderno motore a combustione che può raggiungere anche un rendimento del 40% , e lo confrontiamo con il caso più sfavorevole per un'auto elettrica , ipotizzando un rendimento del motore elettrico pari al 90% , l'80% per il sistema di ricarica delle batterie , produzione dell'energia da centrale a carbone ( la centrale a carbone italiana con maggior rendimento ha il 46% ) con il 6.5% di perdite nella distribuzione elettrica siamo ad un rendimento complessivo del sistema centrale-auto elettrica intorno al 30% .

Se consideriamo invece un caso più favorevole alle auto elettriche , con motore a benzina di rendimento tipico 28% , per l'auto elettrica stessi valori del caso precedente ma ma con energia prodotta da centrale termoelettrica a ciclo combinato gas-vapore ( che può raggiungere un rendimento anche del 60% ) , il sistema centrale-distribuzione-ricarica-motore elettrico avrebbe un rendimento complessivo intorno al 40% , decisamente più favorevole rispetto all'auto a benzina.

Questo per limitarsi alla sola efficienza energetica e senza prendere in considerazione anche le emissioni inquinanti. Inutile dire che tra questi due casi limite vi sono infiniti casi intermedi , che impongono di considerare tantissime variabili e rendono ancora più importante prendere in considerazione il mix energetico della produzione di energia elettrica.

Il mix energetico : da dove proviene l'energia elettrica consumata in Italia

Da quanto detto nel paragrafo precedente, appare chiaro che quanto più l'energia elettrica viene prodotta da fonti non fossili e tanto più possiamo avere la certezza che il ricorso ad auto elettriche sia conveniente per l'ambiente.

Nel 2017 il mix energetico italiano , secondo il GSE , era così composto :

- Fonti rinnovabili 36,60%
- Carbone 13,75%
- Gas 42,34%
- Petrolio 0,75%
- Nucleare 3,68%
- Altre fonti 2,88%

Idealmente questo mix dovrebbe tendere sempre più verso le fonti rinnovabili , ma questo non è sempre scontato : sempre la stessa fonte ufficiale riporta che nel 2016 , invece , la percentuale di energia elettrica italiana da fonti rinnovabili era al 38.85% ed è quindi diminuita nel tempo.

Questo perché le percentuali dipendono anche dal fabbisogno complessivo e , in quest'ottica , diventa fondamentale anche il nostro ultimo tentativo di analisi : che impatto avrebbe un massiccio sviluppo delle vendite dei veicoli elettrici a batteria sulla fornitura e la distribuzione dell'energia elettrica in Italia ?

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