Domande? +32 460 226 991 (Inglese). Consegna in tutta l’UE!
Domande? +32 460 226 991 (Inglese). Consegna in tutta l’UE!
I produttori più ricercati di tecnologia di misurazione e regolazione
Le batterie agli ioni di litio e al piombo sono oggi presenti ovunque sia necessario garantire l’alimentazione di backup o accumulare energia: nei data center, nei locali UPS, nei sistemi di accumulo a batteria (BESS) e nelle stazioni di ricarica rapida. Con la loro diffusione cresce però anche un rischio che i classici rivelatori antincendio non sono in grado di coprire adeguatamente: la fuoriuscita di idrogeno e di altri gas durante la ricarica o in caso di guasto della cella. Questo articolo spiega perché avviene il rilascio di gas, perché i sistemi standard di rilevazione incendio intervengono troppo tardi e come il problema viene risolto dal rilevatore di gas emessi Evikon E2673.
Autore: Bc. Jaromír Bittner – Specialista di prodotto Evikon
La formazione di idrogeno avviene principalmente tramite due meccanismi, entrambi da considerare nella progettazione della sicurezza di un locale batterie:
Batterie al piombo (lead-acid, AGM, gel, VRLA). Durante la ricarica, l’elettrolisi scompone l’acqua dell’elettrolita in idrogeno e ossigeno. Nelle celle aperte (flooded) la fuoriuscita è del tutto normale; nelle batterie VRLA si verifica in caso di sovraccarica o guasto della valvola. L’idrogeno si accumula sotto il soffitto (è 14 volte più leggero dell’aria) e, se il locale non è sufficientemente ventilato, la concentrazione in prossimità della batteria può aumentare rapidamente.
Batterie agli ioni di litio. L’idrogeno non è un prodotto della normale ricarica: compare solo come parte del cosiddetto off-gassing, cioè il rilascio di gas dalla cella in caso di surriscaldamento o degrado. Insieme all’idrogeno vengono rilasciati anche vapori di elettrolita (composti organici volatili, tipicamente dietilcarbonato DEC e dimetilcarbonato DMC, eventualmente DEMC), monossido di carbonio e altri prodotti di decomposizione. L’off-gassing è il primo segnale fisicamente misurabile del cosiddetto thermal runaway – una reazione autoaccelerante in cui l’aumento della temperatura della cella innesca ulteriori processi esotermici al suo interno, che fanno salire ancora la temperatura e possono infine portare all’innesco o all’esplosione.
Il denominatore comune di entrambi i casi è un fatto: l’idrogeno è incolore, inodore e altamente infiammabile. Il suo limite inferiore di esplosività (LEL) è di circa il 4% in volume nell’aria: basta quindi poco perché il locale diventi un’atmosfera esplosiva.
Una centrale antincendio standard si basa su tre tipi di rivelatori: di fumo, di temperatura e di fiamma. Tutti e tre presentano, in caso di guasto della batteria, un problema fondamentale di tempistica:
Nella fase di off-gassing il fumo praticamente non c’è. Il rilascio di gas avviene prima della combustione. In questa fase nel locale potrebbero non esserci né fumo visibile né fiamma, e la temperatura ambiente aumenta solo minimamente. Il rivelatore di fumo quindi non segnala nulla, anche se all’interno della cella è già in corso una reazione che sarebbe ancora possibile arrestare.
La temperatura aumenta all’interno della cella, non nel locale. Prima che il gradiente termico si trasferisca all’ambiente esterno, dove può intervenire un rivelatore termico, di solito il thermal runaway ha già coinvolto diverse celle adiacenti. Nel frattempo la reazione continua a propagarsi nel modulo.
Il rivelatore di fiamma interviene solo dopo l’innesco. A quel punto non si parla più di prevenzione, ma di limitazione dei danni.
L’unico metodo che consente di individuare il guasto prima che si sviluppi un incendio aperto è la rilevazione dei gas, in particolare dell’idrogeno e dei vapori di elettrolita (VOC). Per questo motivo, nei sistemi di accumulo a batteria e nei locali UPS si raccomanda di integrare il classico sistema EPS con una rilevazione gas collegata alla centrale antincendio o al sistema SCADA.
Se si trattasse solo di batterie al piombo, un rilevatore di idrogeno dedicato sarebbe sufficiente. Con le celle agli ioni di litio, però, la situazione è più complessa. Il degrado lento della cella può manifestarsi inizialmente con la fuoriuscita di vapori di elettrolita (VOC), senza un immediato rilascio significativo di idrogeno. I guasti rapidi, al contrario, iniziano con un aumento dell’idrogeno. Monitorando contemporaneamente entrambi i gruppi di gas, aumenta la probabilità di rilevare il guasto nella fase più precoce, indipendentemente dal modo in cui ha inizio. È proprio questo il punto di forza di un rilevatore combinato.
In un locale batterie si controllano normalmente anche temperatura e umidità relativa. L’intervallo consigliato per data center e locali UPS è generalmente tra il 40–60% RH e 21–25 °C. Un’umidità elevata provoca corrosione dei contatti, un’umidità bassa favorisce le scariche elettrostatiche, mentre una temperatura elevata riduce la vita utile delle celle e aumenta il rischio di thermal runaway.
Il produttore estone Evikon MCI ha progettato il rilevatore E2673 proprio per questo tipo di applicazioni. In un unico contenitore per guida DIN combina quattro funzioni:
In questo modo copre con un solo dispositivo tutti i parametri ambientali chiave di un locale batterie, evitando l’installazione di due o tre sensori separati.
Per l’idrogeno, il rilevatore utilizza il principio della conducibilità termica. Il sensore misura come il gas da analizzare influisce sulla conducibilità termica del campione rispetto a un ambiente di riferimento. L’idrogeno ha una conducibilità termica circa 7 volte superiore a quella dell’aria, quindi può essere rilevato in modo affidabile con questo metodo. Inoltre, rispetto alle celle elettrochimiche, il sensore non è soggetto ad avvelenamento. Il campo di misura è 0–100% LEL H₂ con risoluzione di 0,02% LEL; la soglia di allarme è impostabile dall’utente nell’intervallo 10–40% LEL, quindi ben prima del raggiungimento del limite inferiore di esplosività.
Per i composti organici volatili viene impiegato un sensore MOS (metal-oxide semiconductor) con indice 0–500. Reagisce ai vapori di elettrolita DEC, DMC e ad altri composti organici rilasciati durante il degrado delle celle Li-ion. Il campionamento è per diffusione: i gas raggiungono i sensori tramite la naturale circolazione dell’aria attraverso il coperchio del dispositivo, senza necessità di pompa o linea di campionamento. Il tempo di riscaldamento all’avvio è inferiore a 1 minuto, il tempo di risposta inferiore a 20 secondi.
I sensori hanno una vita utile prevista di circa 15 anni, che si avvicina o supera quella degli stessi sistemi di accumulo agli ioni di litio. Il rilevatore è progettato senza necessità di calibrazione periodica in campo, eliminando così il tipico problema dei sensori di idrogeno che dopo alcuni anni perdono precisione e, in installazioni estese, risultano difficili da mantenere tutti correttamente calibrati. Lo stato del rilevatore può essere monitorato tramite autodiagnosi all’avvio e durante il funzionamento.
L’E2673 offre due modalità di collegamento al sistema superiore:
Lo stato del rilevatore è indicato direttamente sul dispositivo da tre LED: verde (alimentazione), giallo (guasto), rosso (allarme).
Parametri tecnici in sintesi:
L’E2673 è adatto ovunque possano verificarsi emissioni di gas da batterie agli ioni di litio o dove vengano ricaricate batterie al piombo su scala più ampia:
La custodia compatta consente il montaggio diretto nel rack batterie o nel quadro elettrico accanto agli altri componenti su guida DIN. Per l’impiego in ambienti con rischio di atmosfera esplosiva, il rilevatore è certificato per ATEX Zona 2 secondo le direttive 2014/30/EU e 2014/34/EU.
Nella progettazione della rilevazione gas in un locale batterie conviene rispettare alcune regole:
Posizionare il rilevatore vicino al soffitto. L’idrogeno tende a salire e ad accumularsi nel punto più alto del locale. Un rilevatore installato all’altezza del rack intercetterà la perdita più rapidamente di un sensore posto a 1,5 m dal pavimento.
Considerare la ventilazione. La sola rilevazione non spegne un incendio. L’allarme dovrebbe attivare la ventilazione del locale, idealmente su due livelli: al raggiungimento della prima soglia si avvia la ventilazione, alla seconda si interrompe la ricarica e si attiva la segnalazione acustica e ottica.
Collegare il rilevatore all’EPS. L’uscita a relè del rilevatore va portata all’ingresso della centrale antincendio in modo che l’allarme attivi i protocolli standard dell’EPS. Il Modbus serve poi per la visualizzazione e il trending nel BMS.
Non dimenticare la suddivisione in zone. Per grandi container BESS o più rack nello stesso locale, prevedere più rilevatori distribuiti in modo da coprire tutte le aree a rischio.
Nei moderni sistemi a batteria, la rilevazione dei gas rappresenta ciò che il rivelatore di fumo è nella normale protezione antincendio: la prima linea di difesa. La differenza è che, negli accumuli agli ioni di litio, spesso è l’unico modo per individuare un guasto prima che entri in una fase irreversibile. Il rilevatore Evikon E2673 riunisce in un unico dispositivo compatto tutto ciò di cui un locale batterie o un locale UPS ha bisogno – rilevazione dell’idrogeno, dei vapori di elettrolita, umidità e temperatura – e, grazie alla durata di 15 anni senza calibrazione in campo, mantiene bassi i costi di esercizio per tutta la vita utile del sistema di accumulo.
Se si installa il rilevatore solo in ambienti con batterie al piombo (backup nelle telecomunicazioni, classici locali UPS con tecnologia meno recente), la sola rilevazione dell’idrogeno è generalmente sufficiente, poiché l’idrogeno è il principale gas di rischio. Nelle batterie agli ioni di litio, però, spesso i primi a manifestarsi sono i vapori di elettrolita, non l’idrogeno. Per gli accumuli Li-ion, i data center con UPS moderni e i BESS raccomandiamo quindi una rilevazione combinata H₂ + VOC, che l’E2673 gestisce in un unico strumento.
Le norme di sicurezza raccomandano un allarme nell’intervallo 10–25% LEL, cioè circa 0,4–1% in volume di H₂ nell’aria. Il primo livello (preallarme) viene generalmente impostato al 10% LEL per l’avvio della ventilazione, il secondo livello (allarme principale) al 20–25% LEL per il distacco della sorgente e l’attivazione dell’allarme incendio. L’E2673 consente di impostare la soglia nell’intervallo 10–40% LEL in base ai requisiti del progetto.
Sì, l’E2673 è certificato ATEX per Zona 2 secondo EN 60079-0, EN 60079-7 e EN 60079-29-0/-3. Non può essere utilizzato in Zona 1 o Zona 0: in questi casi è necessario ricorrere a un altro dispositivo in esecuzione Ex “d” o “ia”.
No, non in campo. Il rilevatore è progettato per un funzionamento esente da manutenzione per tutta la vita utile dei sensori (~15 anni). La stabilità a lungo termine è < 3 % LEL H₂ in 5 anni. Si tratta di una grande differenza rispetto ai sensori elettrochimici, che devono essere calibrati ogni anno o sostituiti dopo 2–3 anni di esercizio.
La custodia da 94 × 56 × 32 mm si aggancia normalmente su guida DIN oppure si monta a parete con l’apposito supporto (fornito in dotazione). La rilevazione avviene per diffusione, quindi non è necessario installare un tubo di campionamento né gestire il posizionamento di una pompa. Per la massima efficacia, posizionare il rilevatore il più vicino possibile al soffitto del locale, dove l’idrogeno tende ad accumularsi.
Oltre ai due relè di allarme, l’E2673 dispone anche di un relè di guasto dedicato. Se il rilevatore rileva un proprio malfunzionamento (ad esempio guasto del sensore, alimentazione fuori range), attiva il LED giallo e commuta il relè di guasto con logica NC: in questo modo l’operatore sa che la rilevazione non è funzionante e può intervenire. Lo stato può essere monitorato anche tramite Modbus RTU.
Sì, tramite due relè di allarme SPST (NC, 300 mA / 30 VDC). Si tratta di un contatto pulito standard, accettato praticamente da qualsiasi centrale EPS sull’ingresso dedicato alla rilevazione gas.
L’off-gassing è il rilascio stesso dei gas dalla cella: il primo segnale fisicamente misurabile del problema. Il thermal runaway è invece la successiva reazione autoaccelerante, durante la quale la cella supera irreversibilmente la temperatura critica e può incendiarsi. L’obiettivo della rilevazione gas è intercettare l’off-gassing prima che la reazione entri nella fase di thermal runaway: in questa finestra c’è ancora la possibilità di arrestare il guasto tramite ventilazione, disconnessione e isolamento del modulo interessato.
Bola.cz
