Quali caratteristiche di sicurezza deve avere una batteria per l’accumulo di energia solare?

Prevenzione della corsa termica e progettazione sicura contro gli incendi

Come si verifica la corsa termica nelle batterie al litio-ion per l’accumulo di energia solare

Quando si verifica una corsa termica nelle batterie al litio-ion per l'accumulo solare, essa ha generalmente origine da problemi interni alle celle stesse, da danni causati da fonti esterne o semplicemente dall'usura normale durante il funzionamento. Una volta che la temperatura supera i circa 80 gradi Celsius (ovvero circa 176 gradi Fahrenheit), l'elettrolita si decompone e rilascia gas infiammabili insieme a ulteriore calore, innescando una reazione a catena che prosegue autonomamente. Nei luoghi in cui numerose di queste batterie sono stipate insieme, il calore si propaga rapidamente alle celle adiacenti, portando talvolta la temperatura oltre i 400 gradi Celsius (ovvero circa 752 gradi Fahrenheit) in pochi secondi. Nella maggior parte dei casi, tali incidenti sono causati da cortocircuiti interni. Questi cortocircuiti derivano tipicamente dalla formazione di dendriti all'interno della batteria o da difetti introdotti durante la fase di produzione. Secondo i dati disponibili, tali cause sono responsabili di circa sette casi su dieci di corsa termica. Per prevenire questo pericoloso fenomeno, i produttori devono integrare specifiche misure di sicurezza, quali separatori non infiammabili, additivi speciali nell'elettrolita con proprietà ignifughe e barriere realizzate in resina epossidica, che contribuiscono a impedire la propagazione del calore tra le singole celle.

Test UL 9540A e mitigazione della propagazione dell’incendio per gli impianti di accumulo di energia solare

Ottenere la certificazione UL 9540A significa sottoporsi a estesi test antincendio volti a valutare come si propaga il fenomeno del runaway termico nei sistemi commerciali di accumulo energetico solare con batterie. Il processo di prova ricrea scenari che rappresentano i peggiori guasti possibili, ad esempio quando un oggetto appuntito perfora le batterie o queste vengono sovraccaricate. Questi test analizzano diversi aspetti, tra cui la velocità con cui il calore si accumula, i gas rilasciati e la possibilità che l’incendio si propaghi da un modulo all’altro. I sistemi di batterie che superano questo standard sono dotati di caratteristiche di sicurezza integrate, tra cui involucri ignifughi speciali intorno a ciascun modulo, aperture di sfogo che consentono l’espulsione sicura della pressione e barriere in grado di impedire la trasmissione del calore tra i moduli. I test indipendenti dimostrano che la maggior parte dei sistemi certificati riesce a contenere gli eventi termici pericolosi all’interno di un singolo modulo circa 99 volte su 100. Quando si installano tali batterie all’interno di edifici o in spazi ristretti, dove la distanza tra le unità è limitata, scegliere apparecchiature certificate UL 9540A risulta ragionevole sia perché richiesto dalle normative vigenti, sia perché riduce effettivamente i rischi nella pratica. Molti responsabili della gestione degli impianti hanno riferito una diminuzione degli incidenti dopo aver sostituito i vecchi sistemi con questi più sicuri.

Protezione elettrica intelligente tramite sistema di gestione della batteria (BMS)

Funzioni critiche del BMS: sovraccarica, scarica eccessiva, cortocircuito e monitoraggio dell'isolamento

Un sistema di gestione della batteria (BMS) funziona come il "cervello" delle batterie al litio-ion per l’accumulo solare, gestendo quattro funzioni fondamentali di sicurezza che ne garantiscono il corretto funzionamento. Quando una batteria raggiunge un livello di carica eccessivo, il BMS interrompe il processo a circa 3,65 volt per cella, poiché superare questo valore può causare la formazione pericolosa di depositi di litio (lithium plating), con conseguenti rischi di surriscaldamento. Dall’altra parte, se la batteria si scarica al di sotto di circa 2,5 volt per cella, il sistema interviene nuovamente per bloccare ulteriori scariche, in quanto ciò potrebbe danneggiare i componenti interni e ridurre in modo permanente la durata della batteria. In caso di cortocircuito, la risposta avviene quasi istantaneamente non appena la corrente supera di tre volte il valore normale, utilizzando appositi interruttori per interrompere in sicurezza il flusso di energia. Il sistema controlla inoltre costantemente la resistenza d’isolamento tra le parti attive e la scocca metallica, rilevando eventuali cali al di sotto di 100 ohm per volt, segnale precoce di usura. Rapporti sul campo provenienti sia da impianti su larga scala che da installazioni domestiche negli Stati Uniti dimostrano che questi multipli livelli di protezione hanno ridotto gli incidenti elettrici di circa due terzi negli ultimi anni.

Monitoraggio in tempo reale di SOC/SOH e risposta predittiva ai guasti per batterie di accumulo per energia solare

I migliori sistemi di gestione delle batterie attuali combinano tecniche di conteggio coulombico con filtri di Kalman per mantenere l'accuratezza dello stato di carica (SOC) intorno a ±3%. Allo stesso tempo, monitorano lo stato di salute (SOH) analizzando la riduzione della capacità nel tempo. Questa combinazione fornisce agli operatori due livelli di informazioni che aiutano a prevedere i problemi prima che si verifichino. Quando singole celle iniziano a mostrare differenze di tensione superiori a 50 millivolt o si riscontra una differenza di temperatura tra i moduli superiore a 4 gradi Celsius, il sistema riduce la velocità di ricarica e invia avvisi relativi alla manutenzione necessaria. Questi dettagliati controlli diagnostici impediscono che piccoli problemi si accumulino nel tempo, estendendo effettivamente la durata della batteria di circa il 40% rispetto ai sistemi più vecchi che non eseguono un monitoraggio attivo. Le versioni più recenti stanno diventando ancora più intelligenti, utilizzando i dati sulle prestazioni passate per stimare con circa tre mesi di anticipo il momento in cui le batterie potrebbero raggiungere la fine della loro vita utile. Questo tipo di previsione consente agli installatori di impianti fotovoltaici di pianificare meglio le sostituzioni, anziché attendere che un componente si guasti completamente.

Certificazioni normative obbligatorie per le batterie di accumulo solare

La conformità alle certificazioni internazionali in materia di sicurezza è imprescindibile per le installazioni residenziali e commerciali di batterie di accumulo solare. Questi standard riducono i rischi di incendio, garantiscono l'affidabilità operativa e costituiscono requisiti preliminari per la connessione alla rete elettrica, il rilascio delle autorizzazioni e la copertura assicurativa.

Standard di sicurezza a livello di cella e di modulo: UL 1642, IEC 62619 e UN 38.3

Le certificazioni a livello di componente convalidano la sicurezza fondamentale prima dell'integrazione nel sistema:

• UL 1642 sottopone le celle al litio a condizioni estreme di abuso, inclusi cortocircuiti forzati, sovraccarica e prove di schiacciamento, per verificare l'integrità strutturale e termica.
• Norma IEC 62619 stabilisce i requisiti di sicurezza per le batterie industriali al litio, imponendo resistenza a sollecitazioni meccaniche, abusi termici e carica anomala.
• UN 38.3 certifica la sicurezza del trasporto richiedendo prove di simulazione di altitudine, vibrazione, impatto e cicli termici per prevenire perdite o eventi termici durante il trasporto.
  I produttori devono dimostrare la conformità a tutti e tre i requisiti prima di poter procedere alla valutazione a livello di sistema.

Conformità a livello di sistema: UL 9540, NFPA 855 e sicurezza dell’interconnessione alla rete (IEEE 1547, NFPA 585)

L’integrazione a livello di sistema richiede il rispetto di quadri normativi sulla sicurezza interdipendenti:

• UL 9540 valuta la propagazione integrata dell’incendio, la sicurezza elettrica e la gestione termica in condizioni simulate di runaway termico.
• NFPA 855 disciplina i requisiti fisici di installazione, inclusi gli spazi minimi, la ventilazione, i sistemi di soppressione degli incendi e le prescrizioni per le vie di fuga, al fine di limitare la propagazione dell’incendio e agevolare l’intervento di emergenza.
• Norme sull’interconnessione alla rete, come IEEE 1547 (per il mantenimento della tensione/frequenza in caso di disturbi e per la prevenzione dell’islanding) e NFPA 585 (per spegnimento rapido e rilevamento di archi elettrici) garantiscono una disconnessione sicura in caso di guasti.
  Al 2024, 37 stati statunitensi hanno adottato la norma NFPA 855 nei rispettivi codici elettrici, rendendola di fatto un requisito obbligatorio per il rilascio delle autorizzazioni.

Miglioramenti nella selezione dei materiali e nel monitoraggio proattivo

Perché il litio ferro fosfato (LFP) è la chimica preferita per le batterie di accumulo energetico solare più sicure

LFP, acronimo di fosfato di litio e ferro, è attualmente la scelta privilegiata per la maggior parte delle soluzioni di accumulo energetico solare grazie alla sua elevata stabilità termica. Ciò che rende questo materiale particolare è la sua unica struttura cristallina olivina, che impedisce praticamente il rilascio di ossigeno anche a temperature molto elevate. Ciò significa che le batterie LFP sono molto più sicure rispetto a quelle basate su nichel o cobalto, che tendono ad andare facilmente in fiamme. Secondo rapporti effettivi provenienti dal campo, le installazioni che utilizzano la tecnologia LFP registrano circa il 60% in meno di incidenti legati a incendi. Vi sono anche numerosi altri vantaggi: queste batterie sopportano un numero significativamente maggiore di cicli di carica prima di usurarsi, mantengono in modo piuttosto costante la loro tensione nel tempo e funzionano in modo affidabile anche in condizioni di caldo intenso, fino a circa 55 gradi Celsius. Questa tolleranza termica è particolarmente importante per gli impianti solari installati sui tetti o all’aperto, dove il calore può rappresentare un problema.

Termografia remota, rilevamento intelligente (AI) di anomalie e notifica automatica

Il monitoraggio proattivo aggiunge un livello critico di difesa oltre ai controlli hardware e del sistema di gestione della batteria (BMS):

• Immagini termiche infrarosse fornisce una mappatura continua e senza contatto della temperatura superficiale, identificando i punti caldi prima che si aggravino.
• Analisi Guidate dall'Intelligenza Artificiale correla le variazioni di tensione, gli spostamenti di impedenza e le tendenze termiche tra i moduli per segnalare anomalie invisibili agli allarmi basati su soglie.
• Avvisi automatici invia notifiche al personale tecnico con diagnosi contestuali, consentendo un intervento prima che piccole deviazioni si trasformino in guasti.
  Questo approccio riduce del 34% i fermi non programmati nelle flotte di sistemi di accumulo solare e riduce significativamente la dipendenza da programmi di manutenzione reattiva, rafforzando sicurezza e affidabilità a lungo termine.

Domande Frequenti

• Quali sono le cause della corsa termica nelle batterie al litio-ion per l’accumulo di energia solare?

  La corsa termica può verificarsi a causa di problemi interni alle celle della batteria, di danni esterni o di usura normale. Essa comporta una reazione a catena di generazione di calore che peggiora la situazione, spesso innescata da cortocircuiti interni.

• Che cos'è la certificazione UL 9540A e perché è importante?

  La certificazione UL 9540A prevede prove antincendio approfondite per valutare come si propaga il runaway termico nei sistemi di accumulo solare. I sistemi dotati di questa certificazione includono involucri ignifughi e altre caratteristiche di sicurezza volte a impedire il trasferimento di calore tra i moduli.

• In che modo un Sistema di Gestione della Batteria (BMS) migliora la sicurezza della batteria?

  Un BMS gestisce il sovraccarico, la scarica eccessiva, i cortocircuiti e il monitoraggio dell'isolamento per mantenere prestazioni ottimali della batteria ed evitare situazioni pericolose.

• Quali sono i vantaggi dell'utilizzo di batterie al litio ferro fosfato (LFP) per l'accumulo solare?

  Le batterie LFP offrono stabilità termica grazie alla loro struttura unica, riducendo il rischio di incendi e garantendo cicli di vita più lunghi rispetto ad altre chimiche, come quelle a base di nichel o cobalto.