Il seguente reportage è tratto dal nuovo volume “Classificazione dei luoghi con pericolo di esplosione: locali di ricarica batterie” edito dal CEI che si pone l’obiettivo di chiarire, analizzando fisicamente e normativamente il fenomeno, gli aspetti più controversi del problema dell’emissione di gas dalle batterie e la corretta procedura di classificazione dei locali adibiti alla ricarica
Tipologia di batterie
Gli elementi o le batterie di elementi sono caratterizzati dalla loro capacità di accumulare energia elettrica, espressa in amperora (Ah). Il valore della capacità varia con le condizioni di utilizzo, quali la durata di scarica, la corrente, la tensione finale e la temperatura.
Dipendentemente dalla loro destinazione d’uso, le batterie sono distinte in:
• batterie per avviamento (serie CEI EN 60095);
• batterie di trazione (serie CEI EN 60254);
• batterie stazionarie (serie CEI EN 60896)
Tale distinzione rispecchia anche una differente tecnologia di costruzione. Le batterie per avviamento sono progettate per erogare correnti di elevata intensità per brevi periodi (tipiche per l’avviamento di un motore termico). Viceversa per le batterie di trazione si richiede l’erogazione di una corrente costante fino ad una certa frazione di scarica della batteria ed una possibilità di compiere un grande numero di cicli di carica e scarica. Le batterie più utilizzate industrialmente sono le batterie al Piombo e le batterie al Nichel-Cadmio.
Le batterie al piombo hanno elettrolita costituito da una soluzione di acido solforico ed elettrodi realizzati in Piombo (elettrodo positivo) e in Biossido di Piombo (elettrodo negativo). Esse si distinguono, secondo la tecnologia costruttiva, in due tipologie:
• batterie al piombo a vaso aperto (flooded/wet cell);
• batterie VRLA.
Le batterie a vaso aperto sono il modo più antico di realizzare un accumulatore al piombo. Gli elettrodi sono costituiti di lastre, aventi spessore e composizione leggermente diversa dipendentemente dalla destinazione d’uso della batteria (di trazione, stazionaria o per avviamento), immerse in una soluzione di acido solforico. Per tale motivo le celle sono anche dette wet (umide) o flooded (a flusso liquido).
Il termine VRLA è l’acronimo di Valve Regulated Lead Acid cioè batterie regolate con valvole. Le batterie VRLA, nella documentazione commerciale, sono definite in cento modi diversi, contribuendo ad ingenerare una certa confusione nell’utente: sono infatti dette a ricombinazione, sigillate, ermetiche, sealed, senza manutenzione.
Alcune definizioni fanno pensare ad un dispositivo del tutto isolato dall’esterno. In realtà, il contenitore che racchiude gli elettrodi e l’elettrolita è quasi ermetico, essendo provvisto di una o più valvole di sfiato. Infatti un involucro del tutto sigillato sarebbe molto pericoloso a causa della sovrapressione che si verrebbe a creare nel dispositivo durante la ricarica (o, peggio, in caso di sovraccarica) a causa della emissione di gas.
La dizione a ricombinazione significa che la maggior parte dell’Ossigeno che si sviluppa al polo positivo si ricombina con l’Idrogeno prodottosi al polo negativo in modo da riformare acqua (in generale con efficienza superiore al 95%) evitando così la disidratazione dell’elettrolito.
Il termine senza manutenzione, si riferisce al fatto che essendo ridotta l’emissione di gas, e quindi la dispersione di elettrolito, in generale, le batterie VRLA non necessitano di aggiunta di acqua o di elettrolito.
Le batterie VRLA sono costruite con due differenti tecnologie, che differiscono sostanzialmente nella tecnica con cui è realizzato l’elettrolito:
• batterie AGM - Absorbent Glass Mat;
• batterie al gel – Gel Cell.
Se, dopo la completa carica della batteria, si continua a fornire energia non si ha ulteriore incremento di carica ma l’energia fornita ha il solo effetto di produrre la dissociazione dell’acqua contenuta nell’elettrolito. La massima quantità teorica di gas prodotto da una batteria, al termine della ricarica, è pari a 684 cm3 di miscela di gas (Idrogeno + Ossigeno) alla temperatura di
Nella pratica, l’emissione del gas avviene solo in piccola parte e nella fase finale della ricarica. Infatti, come discusso precedentemente, all’inizio della ricarica della batteria gli ioni idrogeno ed ossigeno che si formano non producono gas molecolare ma partecipano alla reazione chimica.
Le batterie al Nichel Cadmio si sono imposte negli ultimi decenni a causa della loro affidabilità e durata di vita a fronte di un maggiore costo e di una minore tensione di cella (tensione nominale 1,2 V). Gli elettrodi delle batterie sono costituiti di Idrato di Nichel, per l’elettrodo positivo, e Cadmio spugnoso per l’elettrodo negativo. L’elettrolita è una soluzione acquosa di Idrossido di Potassio al 20-34% in peso.
Modalità di ricarica
La durata di vita e l’emissione di gas dalle batterie dipende in modo sostanziale dalle modalità di ricarica della batteria. In particolare, deve essere posta particolare attenzione nella ricarica delle batterie VRLA, dove l’utilizzo di un caricabatteria non idoneo può ridurre drasticamente la durata di vita della batteria.
Le tipologie di caricabatteria si distinguono in funzione dei parametri elettrici (tensione e corrente) erogati e della eventuale presenza di una temporizzazione. Si distinguono caricabatteria di tipo:
• non regolato;
• auto-regolato.
Un caricabatteria non regolato è un dispositivo che fornisce una semplice carica con tensione e corrente non costante. Questi caricatori prendono anche il nome di taper charter in quanto la corrente diminuisce (taper) automaticamente nel tempo, seguendo l’evoluzione della carica della batteria.
Un caricabatteria auto-regolato è un caricatore che controlla continuativamente lo stato di carica della batteria e sospende la ricarica quando è stato fornito il quantitativo corretto di energia elettrica provvedendo solamente una sovraccarica minima nel caso in cui ad esso venga collegata una batteria completamente carica.
Sono disponibili caricatori con diversi profili di carica in funzione dalle differenti fasi previste nella ricarica. In generale, le tipologie di ricarica prendono il nome dalla sequenza delle fasi di ricarica a tensione costante (U) o a corrente costante (I). Si hanno così profili di carica U, IU, IUI, IUIU, etc.
Il modo di ricarica della batteria è determinante al fine di definire l’emissione di gas. Infatti la batteria inizia ad emettere gas in misura rilevante solo quando la tensione ai suoi capi raggiunge la tensione di gassificazione (gassing voltage) che per le batterie al Piombo è pari a 2,4 V e per quelle al Niche-Cadmio è 1,45 V (a
Emissione di idrogeno
Come illustrato ai precedenti punti, una batteria di accumulatori emette, inevitabilmente, una certa quantità di gas (idrogeno ed ossigeno) durante la ricarica. La quantità di gas emesso è molto variabile e dipende sostanzialmente da:
• tipologia di cella (Piombo, Nichel-Cadmio);
• tecnologia costruttiva (batteria regolata a valvole o a vaso aperto);
• profilo di ricarica (IU, IUI, etc.);
• fase di ricarica.
La massima emissione di idrogeno (0,00042 m3/Ah alla temperatura di
Tale situazione, in pratica, non accade (o non dovrebbe accadere) mai nel funzionamento normale. Infatti i dispositivi di ricarica dovrebbero essere controllati e/o temporizzati in modo da interrompere (o ridurre) il flusso di corrente al termine della fase di carica.
In ogni caso, l’emissione di gas è funzione della corrente di ricarica ed è quindi maggiore durante la ricarica rapida (boost charge) rispetto alla carica di mantenimento a tampone (float charge). Inoltre si ha una certa emissione di gas durante la carica di equalizzazione (equalize charge).
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