Analizziamo un guasto che si è verificato tempo fa in una sala contenente una batteria di accumulatori al piombo a vaso aperto.
Durante l’attività di rabbocco dell’elettrolito, dopo qualche secondo dall’apertura del tappo di uno degli elementi, si è verificata una deflagrazione. La deflagrazione ha interessato contemporaneamente diversi elementi elementi disposti nella medesima fila ed altri nella fila adiacente, come si può vedere dalla fotografia seguente.
Analisi delle possibili cause
1 Impropria tensione di carica degli elementi
Una impropria impostazione dei valori di tensione di carica, sia in mantenimento che in carica rapida, può determinare una eccessiva produzione di gas e il deterioramento delle piastre.
I valori corretti di regolazione sono indicati dalla già citata norma CEI EN IEC 62485-2 e sono, per il caso specifico:
per la carica di mantenimento: 2,22÷2,23V/elemento a 25°C;
per la carica rapida: 2,40V/ elemento a 25°C.
Come si può vedere dalla Tabella 1 – Valori per la corrente durante la carica, con i profili di carica IU o U, riportata nella pagina seguente, nella prima colonna Elementi aperti di batterie al piombo Sb < 3 %, rispettivamente terza e sesta riga.
Per la carica di mantenimento, in particolare, anche l’Allegato A Metodi di carica e modi di funzionamento della stessa norma tecnica, riporta le seguenti indicazioni.
2. Squilibrio di tensione tra le celle
E’ anche essenziale che la tensione impostata sulla batteria dal raddrizzatore (tensione totale di stringa) sia equamente ripartita su tutte le celle.
Eventuali disuniformità dovute a celle che operano a tensioni inferiori rispetto a quelle di riferimento sopra indicate (perché non pienamente cariche) e altre a tensioni troppo elevate, possono condurre a una anomala produzione di gas, alla perdita di elettrolita e al degrado accelerato.
Tutti questi fenomeni concorrono principalmente alla riduzione dell’efficienza della batteria, ma anche ad un maggior rilascio di idrogeno (indicativamente +20%) e a un possibile innesco per deflagrazione.
3. Invecchiamento e degrado dei materiali interni
L’invecchiamento delle batterie è uno dei fattori di rischio per eventi di deflagrazione nelle batterie al piombo.
Con l’invecchiamento si possono osservare i seguenti fenomeni:
degradazione delle piastre di piombo, corrosione e perdita di materiale attivo, deformazioni o rotture;
indebolimento dei ponticelli interni e possibili microfratture che aumentano la resistenza interna dell’elemento, generando surriscaldamenti localizzati e possibili archi elettrici;
evaporazione e variazione dell’elettrolita: l’isolamento tra le piastre può ridursi per accumuli di solfato; ciò aumenta la probabilità di scariche parziali o di formazione di punti caldi che generano idrogeno;
aumento della produzione di gas: durante la carica, nelle batterie nuove, le reazioni sono più controllate perché la resistenza interna è bassa e le superfici delle piastre sono integre; nelle batterie invecchiate, invece, cala l’efficienza di carica, aumenta la resistenza interna e, pertanto, aumentano le perdite di energia elettrica in energia termica e in calore latente per la produzione di gas, con maggior sviluppo di idrogeno;
caduta di materiale attivo sul fondo del vaso, con pericolo di corto circuito interno;
incremento della resistenza di contatto, che può produrre scintille anche per vibrazioni di ridotta intensità.
Tutti questi fenomeni concorrono a creare condizioni favorevoli all’accumulo di idrogeno e a un possibile innesco per deflagrazione.
4. Ripple di corrente elevato
Una eccessiva modulazione della corrente di carica nel tempo, dovuto a una componente alternata (ripple) rappresenta un ulteriore fattore di sollecitazione sugli elementi delle batterie; infatti, si raccomanda di non superare il 5% del valore di corrente corrispondente alla capacità nominale.
Nel caso di batterie da 1050 Ah, il valore efficace della componente alternata del ripple non deve superare 50 A, ma è buona pratica limitarsi a valori inferiori a 25 A.
Valori superiori generano riscaldamenti interni, disturbi elettrochimici e accelerano la corrosione delle piastre.
Una possibile causa dell’aumento di questi valori è la perdita di efficienza del filtro di uscita del raddrizzatore, che è costituito da condensatori elettrolitici, che sono i componenti più vulnerabili del sistema; in genere, su un sistema in corrente continua, questi condensatori hanno una vita attesa di 10 anni; sui sistemi statici di continuità (Uninterruptible Power System: UPS) la vita attesa è di 5 anni.
5. Presenza di presa intermedia sulla stringa
La presenza di eventuali prese intermedie sulla stringa delle batterie deve essere accuratamente verificata, in quanto può determinare sbilanciamenti di tensione tra le celle.
Un punto di prelievo intermedio, se non correttamente bilanciato o monitorato, può costituire una causa diretta di sovraccarico o sotto-carica localizzata, favorendo fenomeni di gasificazione o di degrado in corrispondenza del punto di inserzione.
Questa indicazione di carattere generale non è comunque applicabile al caso in specie, perché la stringa non presenta prese intermedie.
Raccomandazioni operative per evitare l’esplosione di batterie
Si suggerisce di adottare l’adempimento regolare delle seguenti procedure:
– verificare la correttezza dei livelli di carica di mantenimento e di carica rapida; eseguire eventuali tarature correttive sui raddrizzatori/ carica batterie; monitorare questi livelli di tensione;
– controllare il ripple di corrente di ciascuna stringa; se il suo valore risulta superiore ai limiti di 25 A, provvedere a ridurlo, mediante l’inserimento nel circuito di raddrizzamento di idonee induttanze di modo comune, che hanno costi bassissimi;
– adottare un sistema di monitoraggio continuo, in grado di:
misurare e segnalare errati valori di tensione di stringa e di singola cella;
misurare i valori di resistenza interna di ciascun elemento; nel caso in cui siano individuati precocemente anomalie o interconnessioni difettose, provvedere a una manutenzione regolare;
monitorare sia la temperatura ambiente e sia temperatura di alcuni elementi (celle campione) per prevenire fenomeni di deriva termica (thermal runaway);
misurare il valore di ripple di corrente sulla stringa;
– adottare un sistema di monitoraggio continuo, in grado di rilevare la concentrazione di idrogeno all’interno del locale batterie, con allarme in caso di superamento delle soglie di sicurezza o di guasto del sistema di ventilazione;
– verificare che la ventilazione forzata del locale batterie sia efficiente, con aspirazione dell’aria dalla parte alta del locale (soffitto), dove si accumula l’idrogeno;
– verificare che non siano mai installate prese intermedie sulla stringa; se queste siano presenti, effettuare controlli tecnici dedicati, tramite una società specializzata nella manutenzione delle batterie, per verificarne la correttezza di posizionamento.
Conclusioni sulla esplosione di batterie e monitoraggio
Nel caso considerato il problema è stato individuato nella regolazione della tensione di carica di mantenimento a un valore superiore a quello raccomandato dalla norma CEI EN 62485-2.
Infatti, essa è risultata pari a 121,1 V totali su 53 elementi, corrispondenti a 2,28 V/el, andando ben oltre il suddetto limite superiore di 2,23 V/el. di cui alla Tabella 1 e al di fuori del campo di variazione di tali valori 2,18 V¸2,25 V della Tabella A.2 della norma CEI EN 62485-2.
Il livello di tensione della carica di mantenimento dovrà quindi essere ridotto.
Il monitoraggio delle batterie
Per monitorare sempre la situazione e prevenire nel futuro eventi come quello che si è verificato, si suggerisce di installare di un sistema di monitoraggio evoluto delle batterie.
Inoltre è utile, benché non indispensabile dal punto di vista delle regole tecniche, essendo il locale aerato adeguatamente, installare un rilevatore di idrogeno; la sua funzione sarebbe quella di eseguire un monitoraggio continuo della concentrazione di idrogeno presente nell’ambiente e di assicurare che gli operatori possano accedere ai locali batterie sempre in condizioni di sicurezza.
È opportuno evitare l’utilizzo delle batterie oltre il tempo di vita previsto dal costruttore, salvo quando i parametri di funzionamento siano costantemente sotto controllo mediante sistemi di monitoraggio e sensori di gas.
Infine, la sostituzione delle batterie a vaso aperto con modelli ermetici (VRLA AGM o Gel) consente di ridurre significativamente la produzione di idrogeno e di minimizzare il pericolo di avere condizioni favorevoli alla deflagrazione.
L’implementazione delle misure sopra descritte garantisce un elevato livello di sicurezza per il personale, riduce i rischi di deflagrazione e assicura la continuità operativa dell’impianto.ell’impianto.
FAQ – Domande frequenti sull’esplosione di batterie e come evitarla
Quali possono essere in generale le cause della deflagrazione di una batteria al Pb in vaso aperto?
Le cause possono essere numerose. In generale dobbiamo considerare il degrado della batteria anche per superamento del tempo di vita atteso, un errato processo di ricarica e lo squilibrio tra le diverse celle, un ripple in batteria elevato, la presenza di prese intermedie non bilancianti, le alte temperature di esercizio, l’ostruzione delle via di fuoriuscita dell’idrogeno dai singoli monoblocchi. Sono tutte cause a valle delle quali si determinano fenomeni che possono poi portare all’esplosione di una batteria o anche solo alla rottura dei monoblocchi.
Il superamento del tempo di vita atteso quali fenomeni può determinare?
Il superamento del tempo di vita atteso dichiarato dal costruttore, soprattutto se prolungato, determina:
– Degradazione delle piastre di piombo, corrosione e perdita di materiale attivo, deformazioni o rotture. – Indebolimento dei ponticelli interni e microfratture che aumentano la resistenza interna dell’elemento, generando surriscaldamenti localizzati e possibili archi elettrici. – Evaporazione e variazione dell’elettrolita: l’isolamento tra le piastre può ridursi per accumuli di solfato. Questo aumenta la probabilità di scariche parziali o punti caldi che generano idrogeno. – Aumento della produzione di gas. Durante la carica nelle batterie nuove le reazioni sono più controllate perché la resistenza interna è bassa e le superfici delle piastre sono integre; nelle batterie invecchiate l’efficienza di carica cala, la resistenza interna aumenta e quindi più energia elettrica si trasforma in calore e gassificazione, con maggior sviluppo di idrogeno. – Caduta di materiale attivo sul fondo del vaso, con rischio di corto circuito interno. – Incremento della resistenza di contatto, che può produrre scintille anche durante leggere vibrazioni.
Ciascuno di questi eventi può portare alla rottura dei monoblocchi o alla loro esplosione.
Quali sono i controlli operativi imprescindibili per una batteria ed in particolare per una batteria in vaso aperto?
– Verificare i livelli di carica di mantenimento e di carica rapida; eseguire eventuali tarature correttive sui raddrizzatori/carica batterie. Monitorare questi livelli di tensione. – Controllare il ripple di corrente di ciascuna stringa. Se superiore ai limiti, ridurlo mediante l’inserimento di idonee induttanze (costi bassissimi). – Adottare un sistema di monitoraggio continuo, in grado di: 1) misurare e segnalare errati valori di tensione di stringa e di singola cella; 2) misurare e segnalare errati valori di resistenza interna di ciascun elemento, per individuare precocemente anomalie o interconnessioni difettose; 3) monitorare temperatura ambiente e temperatura di celle campione per prevenire fenomeni di thermal runaway; 4) misurare il valore di ripple di corrente sulla stringa. – Adottare un sistema di monitoraggio continuo, in grado di rilevare la concentrazione di idrogeno all’interno del locale batterie, con allarme in caso di superamento delle soglie di sicurezza o di guasto del sistema di ventilazione. – Verificare che la ventilazione forzata del locale batterie sia efficiente, con aspirazione dell’aria dalla parte alta del locale (soffitto), dove si accumula l’idrogeno. – Verificare l’assenza di prese intermedie sulla stringa. Se presenti, effettuare controlli tecnici dedicati contattandoci per verificarne la correttezza di posizionamento.
Perché adottare un sistema di monitoraggio continuo delle batterie?
Perché è necessario monitorare con continuità lo stato di efficienza della batteria. Nei tempi che intercorrono tra due interventi manutentivi una batteria o un singolo monoblocco possono rapidamente degradarsi. È quindi necessario adottare un sistema di controllo continuo che possa: 1) misurare e segnalare errati valori di tensione di stringa e di singola cella; 2) misurare e segnalare errati valori di resistenza interna di ciascun elemento, per individuare precocemente anomalie o interconnessioni difettose; 3) monitorare temperatura ambiente e temperatura di celle campione per prevenire fenomeni di thermal runaway; 4) misurare il valore di ripple di corrente sulla stringa.
Come si stabilisce il tempo di vita attesa di una batteria?
Il tempo di vita attesa di una batteria viene dichiarato dai costruttori delle batterie e viene riportato sugli specifici data sheets. Attenzione: esso varia in relazione alle condizioni operative ed in particolare alla temperatura ambiente. Questa deve essere compresa tra i 20°C ed i 22°C, non come media durante l’anno, ma costantemente. Ogni aumento di 10°C comporta il dimezzamento della durata della batteria. Importantissima è poi la corretta esecuzione del montaggio di una batteria; anche qui bisogna attenersi alle procedure suggerite dai costruttori, utilizzando attrezzature ed utensili adeguati. Pertanto il dato fornito dai costruttori è un dato indicativo. Una batteria va sempre monitorata e manutenuta.
Come monitorare la fuoriuscita di idrogeno in un locale batterie?
È necessario adottare un sistema di monitoraggio evoluto e un rilevatore di idrogeno fisso che consenta agli operatori di accedere ai locali batterie in condizioni di sicurezza. Si raccomanda inoltre l’utilizzo di un rilevatore portatile di idrogeno da parte del personale addetto (è idoneo anche un rilevatore quadrivalente con canale CO, tenendo conto che il valore visualizzato, solitamente, corrisponde al 50% del valore reale), soprattutto in presenza di batterie di elevata capacità, dove il rilascio di gas è più consistente.
Quando si sviluppa idrogeno in una batteria?
L’idrogeno si sviluppa durante la fase di ricarica delle batterie. Si ha sviluppo di idrogeno soprattutto verso la fine del processo di ricarica, quando l’energia in eccesso non viene più utilizzata per immagazzinare energia chimica, ma decompone l’acqua dell’elettrolita in idrogeno e ossigeno attraverso il processo dell’elettrolisi.
Quali sistemi di monitoraggio continuo delle batterie sono oggi disponibili sul mercato italiano?
Quando parliamo di batterie in serie, cioè di controlli su stringhe formate da diversi monoblocchi, sia in vaso aperto, che ermetiche o Ni-Cd (batterie cha alimentano normalmente UPS, raddrizzatori, inverters, gruppi elettrogeni, stoccaggio di energia in sistemi fotovoltaici), non sono molti i prodotti presenti sul mercato. Tra questi uno dei più completi ed affidabili sono quelli costruiti dalla società statunitense BatteryDAQ www.batterydaq.com, distribuiti ed installati in Italia da Elettro Services u0026 Equipment.
Quando si parla di continuità elettrica e protezione dei carichi critici, i sistemi di monitoraggio...
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