Il futuro della locomozione sarà elettrica. Quali posso essere le valutazioni da condurre per la sicurezza dei veicoli elettrici?
Introduzione
Negli ultimi anni, a seguito del rapido sviluppo delle batterie litio-ioni (LIB, ovvero Lithium Ion Batteries), sulle nostre strade abbiamo assistito al progressivo aumento di mezzi di trasporto dotati di un'alimentazione alternativa (auto elettriche, monopattini elettrici, e-bike, ecc.).
Poiché i sistemi di accumulo dell’energia rappresentano le nuove tecnologie chiave nello sviluppo dei veicoli elettrici (EV), i rischi che ne derivano dovrebbero essere esaminati attentamente.
I pericoli di incendio dei veicoli elettrici
Per comprendere quali sono i rischi connessi ai veicoli elettrici (EV) inizierei col parlare delle batterie.
Le batterie attualmente utilizzate per i EV sono quelle agli ioni di litio (Li-ione). Le caratteristiche principali di queste batterie sono indubbiamente l'elevata energia e la densità di potenza, che rendono questa tecnologia adatta, appunto, per l'elettronica portatile, gli utensili elettrici e i veicoli ibridi o elettrici.
Queste batterie, sono costituite da più moduli i quali, a loro volta, sono realizzati da numerosi elementi singoli o celle, collegate in serie o in parallelo per formare un modulo batteria. Le celle possono essere di forma cilindrica, prismatica o a bustina (Figura 1).
Le celle della batteria agli ioni di litio presentano due importanti problemi di progettazione: uno è rivolto alla chimica dei materiali, l’altra è di natura elettronica. In pratica, a causa della reattività dei materiali e dell’elevata densità di energia coinvolta, questo sistema può essere soggetto a guasti come il Thermal Runaway che implica un rapido aumento della temperatura delle celle della batteria, accompagnata dal rilascio di gas infiammabili, i quali potrebbero essere facilmente innescati dall'alta temperatura raggiunta dalla batteria, causando un incendio. Inoltre, la combustione di questi gas rilasciati pone un altro problema di sicurezza: l'accumulo e la potenziale esplosione dei gas stessi. Per questo motivo, sono necessarie ulteriori precauzioni in termini di sicurezza: sfiato di sicurezza su ogni cella, fusibili, sistema di monitoraggio della carica della batteria nelle auto (BSM), ecc.
In generale, è opportuno precisare che la maggior parte dei pericoli si verificano quando le batterie sono utilizzate in modo improprio o devono affrontare condizioni ambientali anomale.
Quindi, i fattori che possono portare al Thermal Runaway di una batteria agli ioni di litio posso essere molteplici; fra i più probabili figurano il cortocircuito interno o esterno (creato ad esempio da un incedente o da un forte impatto meccanico), un sovraccarico della batteria, correnti eccessive (create ad esempio in fase di ricarica, a causa di un malfunzionamento del BMS; il tale condizione la batteria potrebbe assorbire correnti elevate superando il valore massimo di sicurezza)
Di seguito si riporta un video molto interesse che mostra l'improvviso e violento incendio di un monopattino elettrico.
Casistica incidentale
Una buona valutazione del rischio dovrebbe sempre partire dall'analisi degli incedenti passati, se esistenti. In generale la propensione all'autoaccensione imputabile all'accumulo di calore all'interno delle celle che può evolvere nella cosiddetta "Thermal Runaway", rende l'incendio dei veicoli elettrici unico e molto diverso dagli incendi dei veicoli a motore endotermico. Tali eventi, come detto, possono avvenire durante le normali operazioni di ricarica ma anche durante la normale guida e/o il parcheggio.
A titolo informativo si fa presente che nel gennaio 2020 [Sun, Bischop et all, 2019] è stata pubblicata un'interessante analisi di alcuni incendi di veicoli elettrici avvenuti nel 2018. Un'ampia casistica è anche riportata e discussa nel documento pubblicato dal CNVVF sempre nel gennaio 2020.
Confronto sulle conseguenze di un incendio di un veicolo elettrico e di un veicolo con motore a combustione interna
Dopotutto, quello che potrebbe interessare di più, quanto meno per l'analisi connessa al rilascio della potenza termica in caso d'incendio, è un confronto tra l'incendio di un EV e un veicolo dotato di motore endotermico (in letteratura ICE).
Nel 2012 l'INERIS [Lecocq et all, 2012] ha presentato i risultati di una campagna di prove finalizzata ad ottenere il suddetto confronto. In quest'occasione sono stati condotti test su due coppie di autoveicoli, di piccole e grandi dimensioni sia di EV che di ICE.
Dalla prova è emerso che lo sviluppo dell’incendio è stato simile per tutti i veicoli; inoltre, non è stata osservata nessuna esplosione o proiezione relativa alle batteria.
Il confronto tra l’evoluzione dell’HRR rispetto al tempo (ovvero la variazione della potenza termica nel tempo) per i veicoli EV e ICE sono riportate nella Figura 3 (confronto tra EV e ICE di piccole dimensioni) e nella Figura 4 (confronto tra EV e ICE di grandi dimensioni).
Per le vetture "piccole" la HRR massima era di 4,2 MW per l’EV e di 4,8 MW per il veicolo ICE. I picchi attribuiti alla combustione del pacco batteria compaiono dopo circa 35 minuti dall’accensione. Per le vetture di grandi dimensioni, la HRR massima era di 4,7 MW per l’EV e di 6,1 MW per il veicolo ICE, quindi hanno mostrato alcune differenze rilevanti, inoltre anche l’energia termica complessivamente prodotta dall’incendio è maggiore per i veicoli a carburante rispetto a quelli elettrici.
![Curve HRR desunte dal confronto tra i due veicoli (EV e ICE) di piccole dimensioni [Lecocq et all, 2012].](https://static.wixstatic.com/media/f37256_910a458b484a485a8f7b4e143a45a802~mv2.jpg/v1/fill/w_144,h_86,al_c,q_80,usm_0.66_1.00_0.01,blur_2,enc_auto/f37256_910a458b484a485a8f7b4e143a45a802~mv2.jpg)
![Curve HRR desunte dal confronto tra i due veicoli (EV e ICE) di grandi dimensioni [Lecocq et all, 2012]](https://static.wixstatic.com/media/f37256_5c5317713c46441c96a248103470d6f1~mv2.jpg/v1/fill/w_143,h_85,al_c,q_80,usm_0.66_1.00_0.01,blur_2,enc_auto/f37256_5c5317713c46441c96a248103470d6f1~mv2.jpg)
Uno dei problemi sollevati, anche a livello di Commissione Europea, è la quantificazione delle emissioni di acido fluoridrico (HF) nel corso dell’incendio di un veicolo elettrico (la questione è applicabile a tutti gli incendi che possono coinvolgere sistemi litio-ione). A tal proposito, vale la pena sottolineare che, durante le prove di incendio sui veicoli, è stata misurata un’emissione significativa di HF. Per entrambi i veicoli, infatti, è stato osservato un picco di HF intorno al 15° minuti. Tale picco può provenire da materiali fluorurati contenuti nel veicolo (ad es. da un refrigerante fluorurato contenuto nel sistema di aria condizionata o dalla combustione di materiali plastici, ecc.). Aspetto interessante, comunque, si è rilevato nel caso di EV. Effettivamente per tali veicoli si sono osservati ulteriori picchi di emissione di HF dopo circa 25-30 minuti dall’innesco dell’incendio del veicolo, Figura 5.
Tali picchi di HF sono corrispondenti alla combustione del pacco batteria agli ioni di litio.
Tuttavia, c'è da precisare che l’analisi dei gas di combustione prodotti dall'incendio delle automobili ha evidenziato che le masse cumulative di CO2, CO, idrocarburi totali, NO, NO2, HCl e HCN erano simili per entrambi i tipi di veicoli.
Problematiche di estinzione del fuoco di un veicolo elettrico
Un'altro aspetto di non poco conto nell'ambito della valutazione del rischio dei EV, riguarda l'estinzione dell'incendio. Se consideriamo un veicolo elettrico nella sua interezza, noteremo che esso rientra in diverse categorie di "materiali combustibili e/o infiammabili". Volendo analizzare il problema, ci accorgeremmo che un EV è composto sostanzialmente da:
Materiali solidi infiammabili (materiali utilizzati per le imbottiture dei sedili; le plastiche utilizzate nell’abitacolo; ecc.).
Gas e liquidi infiammabili (come detto sopra, bisogna considerare i gas emessi dalla batteria a seguito del suo runaway. Inoltre ci sono i liquidi di raffreddamento, liquido dei freni, liquido lavavetri, ecc.).
Metalli infiammabili (litio metallico, presente all'anodo di celle litio-ione cariche).
Dispositivi elettrici (BMS, ecc.).
Pertanto, bisogna porre particolare attenzione sulla scelta dell'estinguente. Infatti, se pensassimo di utilizzare solo anidride carbonica o altri prodotti chimici, il risultato sarebbe unicamente quello di mantenere sotto controllo l’incendio. Non riusciremmo tuttavia né a raffreddare il pacco batteria né ad impedirne la riaccensione. D’altro canto, se applicassimo acqua nebulizzata, sarebbe possibile sia sopprimere l’incendio che immaginare di raffreddare il veicolo, impedendo così la propagazione delle fiamme verso altri bersagli. Anche in questo caso occorre non trascurare il risvolto della medaglia: si potrebbero innescare infatti archi elettrici e favorire la reazione con il litio metallico con conseguente formazione di idrogeno.
Per quanto sopra detto, risulta ovvio che tale aspetto debba essere oggetto di studio, ricerca e sperimentazione che coinvolga tutte le persone ed enti coinvolti nella immissione sul mercato dei veicoli elettrici e nella gestione degli stessi, in modo da garantire una maggiore chiarezza di tale tema.
Conclusione
Ovviamente per esigenze editoriali, la presente trattazione mira a fornire solo un'infarinatura generale del problema. Lascio quindi a te, caro lettore, il dovuto approfondimento che potrai iniziare dalla bibliografia sotto riportata.
Per maggiori informazioni scrivici all'indirizzo email info@am-sa.it
Fonti
Bibliografia
C. Di Bari, V. Puccia, A. Denti; "Analisi incidentali e best practices" - cap. 4 in "Rischi connessi con lo stoccaggio di sistemi di accumulo litio-ione"; CNVVF e ENEA; gennaio 2020.
F. Cosi e C. Di Bari; "Le autorimesse ed i rischi di incendio dei veicoli moderni - parte prima"; Antincendio 07/21; luglio 2021; pag.38-54.
F. Cosi e C. Di Bari; "Le autorimesse ed i rischi di incendio dei veicoli moderni - parte seconda"; Antincendio 08/21; agosto 2021; pag.56-75.
Testo coordinato della Circolare 05 novembre 2018, n° 2 - "Linee guida per l’installazione di infrastrutture per la ricarica dei veicoli elettrici".
Sitografia