Introduzione:
La batteria rappresenta una riserva elettrochimica di energia. In letteratura si distingue tra elementi (o celle) primari e secondari. Gli elementi primari sono le pile di uso quotidiano stilo e ministilo (ad esempio le AA ed AAA) o a bottone la cui caratteristica principale è che una volta esaurita l’energia chimica in esse contenuta devono essere gettate non essendo possibile la ricarica. Gli elementi secondari sono quelli che, dopo essere stati utilizzati, possono essere ricaricati ritornando nelle condizioni originarie.
L’esempio più immediato è quello della batteria per l’avviamento dell’automobile che viene parzialmente scaricata per avviare il veicolo spento ma che viene ricaricata dal sistema alternatore-raddrizzatore del veicolo acceso.
Ci sono molti tipi di batterie con tecnologie differenti. Anche all’interno di una stessa tecnologia di batterie vi sono spesso prodotti di dimensioni e caratteristiche diverse. Da un punto di vista applicativo la varietà e la successiva complessità nel momento della scelta da parte dell’installatore o utilizzatore è assicurata da un ampio ventaglio di prodotti diversi. Ovviamente questa varietà serve per fornire il prodotto più adatto per ogni applicazione. Elemento importante è quindi rappresentato dal possesso delle informazioni necessarie per poter fare la scelta giusta.
Quanto avvenuto il 28 settembre del 2003 è un esempio fin troppo evidente dell’importanza del garantire continuità ad un numero elevato di sistemi elettrici. Questi sistemi influiscono ogni minuto della nostra vita quotidiana e ne siamo tanto abituati da non renderci conto della loro importanza. La richiesta verso i progettisti ed installatori di fornire un back-up che permetta di uscire da una situazione di crisi aumenta sempre di più. L’energia nei sistemi di emergenza e di back-up è alla fine sempre fornita da una batteria indipendentemente dalla sua coppia elettrochimica e/o dalla sua tecnologia costruttiva.
Accumulatori al piombo
Principali caratteristiche:
Tensione
La tensione nominale di ciascun elemento al piombo e’ di 2 Volt. La tensione nominale di una batteria si ottiene moltiplicando per 2 il numero degli elementi in serie fra loro.
Capacità
E’ la quantità di elettricità che gli accumulatori possono fornire ad un circuito esterno prima che la tensione scenda al di sotto del valore limite finale e si ottiene moltiplicando l’intensità della corrente di scarica per il tempo di scarica in ore.
Fattori che influenzano la capacità:
n Regime di scarica e tensione finale
Il grafico sottostante mostra l’andamento della tensione di un accumulatore tipico ad un regime di scarica a partire da un’ora in su. Come si può notare la capacità scende a partire dal 100% a 10 ore fino a circa il 50% ad un’ora. Le cause della diminuzione della capacità resa ai regimi elevati sono le seguenti:
– Solfatazione della superficie delle piastre, che chiude i pori della materia attiva
– Tempo limitato per la diffusione dell’elettrolito
– Perdita di tensione dovuta alla resistenza interna dell’accumulatore.
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Capacità in funzione della temperatura:
Il grafico sottostante mostra la capacità di un accumulatore in funzione della sua temperatura di esercizio.
Le batterie funzionanti in ambienti a bassa temperatura, subiscono una temporanea diminuzione della capacità disponibile e anche della tensione di scarica (i valori normali di capacità e di tensione si ristabiliscono ritornando alla temperatura normale). Un aumento della temperatura della batteria comporta invece un aumento della sua capacità.
L’effetto della temperatura sulla capacità è dovuto alle variazioni della viscosità e della resistenza dell’elettrolito.
Alle basse temperature la viscosità aumenta e ciò riduce il regime di diffusione dell’acido nei pori della materia attiva.
L’effetto della temperatura è più sensibile ai regimi elevati di scarica. E’ importante notare però che con l’aumentare della temperatura si riscontra un aumento della capacità ma anche una significativa riduzione della durata di vita di un accumulatore. Questo perchè, nel caso di batterie a ricombinazione, le stesse perdono di efficienza a temperature più elevate di quella di progetto diminuendo così la vita utile che ci si può attendere dalle stesse. Qui sotto troviamo alcuni grafici che mostrano come varia sia la capacità che la vita attesa di un accumulatore in funzione della sua temperatura d’esercizio.
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Età della batteria in funzione della sua temperatura d’esercizio:
Le batterie stazionarie danno in genere la loro capacità nominale già a partire dalle prime scariche. In seguito si ha anche un aumento della capacità nominale, la batteria mantiene quindi le sue massime prestazioni per un considerevole periodo di tempo. Segue poi un graduale declino.
Una batteria è considerata non più affidabile quando la sua capacità è scesa sotto l’80% del valore nominale.
Il seguente grafico rappresenta la curva di capacità in rapporto alla vita attesa per una batteria VRLA della serie SLA FIAMM:
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Vita attesa di un accumulatore in funzione della temperatura d’esercizio.
La vita attesa di una batteria varia anche di molto in funzione della temperatura d’esercizio della stessa. E’ molto importante utilizzare una batteria ad una temperatura non molto elevata in quanto un aumento della temperatura d’esercizio rispetto a quella di progetto anche di solo pochi gradi centigradi fa si che solo questo parametro contribuisca con percentuali molto elevate a diminuirne la durata di vita effettiva.
Il grafico che segue mostra l’andamento della vita attesa in funzione della temperatura di esercizio e prende come riferimento la batteria FIAMM SLA (lo stesso grafico, valevole genericamente per le batterie in tecnologia “AGM”, può essere reperito sulla guida “Eurobat” (www.eurobat.org).
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COMPORTAMENTO ALLA CARICA
In qualsiasi impianto dove sono inseriti, gli accumulatori rappresentano una riserva di energia di pronto impiego da utilizzare quando se ne presenta la necessità. Per questo è necessario assicurarsi che:
– durante i periodi, di regola lunghi, nei quali gli accumulatori non sono chiamati ad erogare energia, essi siano mantenuti in pieno stato di carica mediante la carica di conservazione
– dopo un funzionamento in scarica, gli accumulatori siano ricaricati completamente per ripristinare la riserva di energia originaria. La ricarica deve essere eseguita immediatamente dopo la scarica.
La ricarica può essere effettuata in vari modi, a seconda del tempo disponibile per la ricarica o dalla vita della batteria. In genere, la ricarica deve essere eseguita in questo modo:
– con tensione di carica uguale alla tensione di mantenimento e modeste correnti (per ricariche in tempi lunghi);
– con tensione di carica a 2,4 V/elem. e correnti elevate (ricariche in tempi brevi).
Questo metodo inizia con una corrente costante prestabilita ed una tensione crescente fino ad un massimo stabilito. Il sistema di ricarica con metodo IU, usato da molti anni in svariate applicazioni, è un valido compromesso per soddisfare esigenze di ricarica rapida garantendo ugualmente l’affidabilità della batteria. Si prosegue mantenendo la tensione costante ed una corrente decrescente fino ad un valore minimo prestabilito, raggiunto questo valore minimo di corrente la tensione viene abbassata al valore di conservazione. Con questo metodo è possibile ripristinare rapidamente un’alta percentuale della capacità scaricata, per il ripristino della parte residua occorrono invece tempi lunghi.
Batterie AGM e GEL
E’ importante ricaricare le batterie AGM regolate da valvole e le batterie al GEL usando metodi che non causino eccessivo sviluppo di gas. Tali metodi infatti potrebbero causare un eccessivo consumo di acqua con una riduzione della durata della batteria. I metodi di carica consigliati sono quelli che operano automaticamente con un valore di tensione prefissato e costante, fornendo una corrente di carica il cui valore massimo, pure prefissato, non possa essere superato. Valori raccomandati per tensione e corrente di carica:
a) Carica di conservazione o mantenimento
Il voltaggio raccomandato per la carica di conservazione, che rende massima la vita utile degli accumulatori AGM è pari a 2,27 V/elem. a 20°C mentre per le batterie al GEL è pari a 2,23 V/elem. a 20°C. Queste batterie possono operare con temperature comprese tra -15 e +40°C, con temperature diverse, la vita utile delle stesse può subire considerevoli riduzioni. Le tensioni di mantenimento raccomandate per garantire la massima vita utile con escursioni di temperature comprese tra -15 e +40°C sono indicati in figura.
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Tensione di mantenimento in funzione della temperatura di una batteria AGM
La corrente di mantenimento di questi accumulatori, completamente carichi, alla tensione di 2,27 V/elem. per gli elementi AGM e 2,23 V/elem. per gli elementi GEL alla temperatura di 20°C, è approssimativamente di 0,3 mA/Ah. E’ opportuno precisare che a causa del fenomeno di ricombinazione il valore della corrente risulta più alto di quello che si riscontra negli accumulatori tradizionali ad acido libero, inoltre non rappresenta un parametro molto valido per valutare lo stato di carica degli accumulatori.
b) Ricarica seguente ad una scarica
Per effettuare la ricarica degli accumulatori AGM e GEL la procedura che rende massima la loro vita utile è quella di operare ad una tensione costante identica a quella della carica di conservazione con una corrente iniziale massima di carica pari a 0,25 C10 Ampere.
Operando in questo modo i tempi di ricarica per un elemento scaricato al 100 % con diversi valori della corrente iniziale sono così rappresentabili
(vedi diagramma).
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– Capacità ricaricata (%)
Se è necessario un rapido ripristino delle condizioni di carica, si può utilizzare il metodo IU (come precedentemente descritto) predisponendo rispettivamente un valore non superiore per la tensione a 2,4 V/elem. e per la corrente 0,25 C10 Ampere. Comunque questo tipo di ricarica dovrebbe essere sempre evitata per assicurare la massima durata di vita della batteria.
Elementi ad acido libero o tradizionali
Il metodo di carica consigliato è quello IU. Questo metodo inizia con una corrente costante prestabilita (generalmente limitata a 0,1 o 0,15 C10 A) ed una tensione crescente fino ad un massimo stabilito (generalmente 2,4 V/elemento). Si prosegue mantenendo la tensione costante ed una corrente decrescente fino ad un valore minimo prestabilito; raggiunto questo valore minimo di corrente la tensione viene abbassata al valore di conservazione (generalmente 2,23V/elemento).
a) Carica di conservazione o mantenimento
Il voltaggio raccomandato per la carica di conservazione, che rende massima la vita utile degli accumulatori è riportato nella tabella sopra. Queste batterie possono operare con temperature comprese tra -15 e +40°C, con temperature diverse, la vita utile delle stesse può subire considerevoli riduzioni. Le tensioni di mantenimento raccomandate per garantire la massima vita utile con escursioni di temperature comprese tra -15 e +40°C sono indicati in figura.
Esempio di tensione di mantenimento in funzione della temperatura di una batteria SGH
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La corrente di mantenimento di questi accumulatori ad acido libero, completamente carichi, alla tensione di mantenimento alla temperatura di 20°C, è approssimativamente di 0,25 mA/Ah.
b) Ricarica seguente ad una scarica
Per effettuare la ricarica degli accumulatori ad acido libero la procedura migliore è utilizzare il metodo “IU”. Quindi iniziare con una corrente costante ed una tensione massima limitata (generalmente a 2,4V/elemento). Una volta che la corrente scende al valore stabilito si passa alla tensione di conservazione.
Operando in questo modo i tempi di ricarica per un elemento scaricato al 100 % con diversi valori della corrente iniziale sono così rappresentabili
(vedi diagramma).
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– Capacità ricaricata (%)
ASPETTI DI SICUREZZA E INSTALLAZIONI
E’ molto importante valutare correttamente l’installazione di una batteria in quanto l’esercizio presenta diversi aspetti di sicurezza che devono essere considerati. Questi aspetti possono essere riassunti in:
– Emissioni gassose
– Rischi elettrici
– Valutazione locali dove andranno installate le batterie
– Pesi rilevanti
La norma europea EN50272-2 (Prescrizioni di sicurezza per batterie di accumulatori e loro installazioni – Parte 2: Batterie stazionarie) Prende in considerazione tutti i punti indicati qui sopra in modo che, rispettando quanto prescritto, l’installazione e l’esercizio di una batteria siano sicuri per persone e cose.
Per quanto riguarda le emissioni gassose la norma fornisce delle tabelle tramite le quali è possibile calcolare a priori quale sarà il ricambio d’aria minimo necessario perché un locale non si trovi mai nella condizione di poter contenere delle pericolose sacche di idrogeno che se si trovasse in concentrazioni superiori al 4% del volume d’aria potrebbe diventare esplosivo con tutte le conseguenze facilmente immaginabili.
E’ da notare che qualunque batteria, anche quelle cosiddette “ermetiche” o “AGM” emette idrogeno anche se in bassissime quantità. Per questo è molto importante non sottovalutare l’aspetto della ventilazione del locale e degli eventuali armadi batteria. Il consiglio che viene naturale dare quando si dimensionano i parametri di ventilazione di un locale (aperture, portata d’aria, etc…) è quello di usare i valori indicati nelle tabelle presenti nella EN50272-2 per la carica boost (o rapida). Fare questo permette di avere una sicurezza pressoché assoluta e mette l’esercente del locale al riparo da ogni rischio anche nel caso in cui possa accadere una qualunque anomalia alla batteria. FIAMM ha inoltre sviluppato un sistema di raccolta gas denominato “RVS” che, applicato sulle valvole dei monoblocchi di tipo ermetico (ad esempio la serie SLA), è in grado di convogliare tramite un sistema di tubetti in materiale plastico l’eventuale gas prodotto dalle batterie in un punto che si ritiene sicuro cosicché si possa ragionevolmente arrivare ad una concentrazione di idrogeno nel locale pari a zero. In ogni caso questo accorgimento, anche se al lato pratico può essere molto utile, va abbinato sempre ad un attento studio delle condizioni nelle quali si trova il locale che ospiterà le batterie.
Esistono inoltre, per l’esercizio delle batterie, diversi rischi elettrici. E’ opportuno non dimenticare che una batteria è un generatore e per sua stessa natura erogherà corrente fino a quando conterrà capacità al suo interno. Questo stato di fatto crea non poche problematiche a livello di prevenzione dei rischi elettrici connessi all’esercizio di una batteria perché, ad esempio, se in una qualunque apparecchiatura elettrica il sezionamento dell’interruttore generale porta la macchina elettrica ad essere sostanzialmente sicura questo non è vero quando si parla di batterie in quanto il sezionamento della batteria dall’UPS di fatto crea solo una separazione elettrica tra la batteria e l’UPS stesso ma la tensione all’interno dell’armadio è sempre presente. La EN50272-2 prescrive anche come ci si deve comportare quando si opera su una batteria. E’ innanzitutto molto importante che il personale addetto a questo tipo di interventi sia adeguatamente formato sui rischi presenti lavorando con apparecchiature in tensione e andranno in ogni caso sempre utilizzati tutta una serie di accorgimenti (nello specifico speciali DPI e attrezzi isolati) atti a garantire la sicurezza degli operatori.
Altro fattore importante nella progettazione di armadi batterie è il controllo del rispetto da parte di questi oggetti sia della EN50272-2; sia della EN60439-1 che riguarda i quadri elettrici per quanto applicabile.
E’ importante inoltre segnalare che un armadio batteria in quanto considerato sistema elettrico se con tensione superiore a 75V dovrà essere dotato, per essere immesso sul mercato, del marchio “CE” che assicura il rispetto da parte del produttore di quanto prescritto dalla direttiva 2006/95/CE.
Il singolo monoblocco componente la batteria, invece, avendo una massima tensione nominale di 12V, non è soggetto all’applicazione della direttiva 2006/95/CE; pertanto tale direttiva, sul singolo monoblocco/elemento non è applicabile.
Un altro parametro molto importante da valutare per una corretta installazione di una batteria è il peso e l’incidenza dello stesso in kg/mq sulla soletta del locale.
Una batteria, essendo formata essenzialmente da piombo, ha sempre un peso molto rilevante in rapporto al volume occupato. Non è raro trovare batterie, anche abbinate a UPS di taglia non elevata come (20 o 30 kVA) che superano i 1000 kg di peso. Questo crea situazioni che vanno attentamente valutate per evitare di incorrere in installazioni che possono essere pericolose per via della tenuta delle solette dei locali. Ad esempio è sempre da evitare l’installazione di armadi batterie sopra a pavimenti tecnici (in questi casi dovrà essere previsto un appropriato controbasamento che sia in grado di sostenere il peso della batteria).
In caso di installazione di grossi impianti è sempre opportuno verificare preventivamente la portata (in kg/mq) del pavimento del locale.
Infine, grande importanza deve avere tutta la parte informativa come cartellonistica di sicurezza etc…
Esistono 2 casi di installazione di batterie:
– In armadio metallico
– Su scaffale metallico
Nel primo caso tutte le protezioni contro i contatti diretti e indiretti nonché le barriere per abbattere la distanza minima dalla batteria sono demandate all’armadio di contenimento che deve essere dotato di tutti gli accorgimenti necessari a prevenire l’accesso non autorizzato (ad esempio pannelli rimuovibili solo mediante l’utilizzo di attrezzi) alla batteria. L’armadio andrà dotato della necessaria cartellonistica di sicurezza (definita anche tabella istruzioni) che riassume tutti gli accorgimenti da tenere per un esercizio corretto della batteria. La tabella va apposta a cura del costruttore in modo ben visibile sull’armadio e deve esserne impedita la rimozione.
Se le batterie sono installate su uno scaffale tutte le protezioni sopra descritte sono demandate al locale (una batteria installata su scaffale è per sua stessa natura un oggetto con grado di protezione IP00 in quanto anche se dotata di appositi copri collegamenti che sono utili a prevenire contatti accidentali con parti in tensione, gli stessi sono rimuovibili senza l’utilizzo di appositi attrezzi pertanto non possono essere definiti come protezioni attive). Nel caso di batterie installate in scaffale, l’accesso al relativo locale dovrà essere assolutamente interdetto al personale non autorizzato e sulla relativa porta andrà apposta tutta la cartellonistica di sicurezza (compresa la tabella istruzioni) prevista dalla EN50272-2
Chiaramente sarà cura del conduttore del locale verificare che lo stesso sia rispondente a tutti i parametri indicati sulla EN50272 sia per quanto riguarda la ventilazione, sia per quanto riguarda pareti, pavimenti, etc…
ECOLOGIA E AMBIENTE
Riciclaggio
Anche se appare quasi paradossale, una batteria è anche un oggetto che ha un bassissimo impatto ambientale. Poiché pur essendo formata da materiali potenzialmente pericolosi come piombo e acido solforico, per le batterie è ormai in atto un sistema di riciclo che permette di recuperarne, a fine vita, una percentuale di circa il 90%. Le
materie prime recuperate (piombo, acido, granulati) vengono utilizzate per produrre nuovi accumulatori al piombo. Ragione, questa, che permette di riutilizzare la gran parte del prodotto obsoleto ottenendo, così, un significativo risparmio di risorse in termini di sfruttamento di nuove materie prime e risorse naturali.
In Italia vengono riciclate circa 200.000 tonnellate/anno di batterie al piombo esauste raccolte, pari a 16.000.000 di pezzi ed equivalenti a circa il 100% dell’immesso al consumo (fonte Co.Bat); il tutto senza alcun costo economico da parte dell’utente in quanto il sistema, ponendo un “eco contributo” che l’utilizzatore paga all’acquisto della batteria, crea automaticamente un circolo virtuoso che è in grado di recepire praticamente il 100% del rifiuto prodotto senza costi ulteriori a carico del produttore del rifiuto.
E’ importante ricordare che l’abbandono di un accumulatore nell’ambiente è un illecito e che la legislazione vigente per lo smaltimento rifiuti pericolosi prevede l’obbligatorietà di riciclo per gli accumulatori
Rendimento
Un altro fattore importante per l’ottimizzazione dell’utilizzo di energia è il rendimento di un qualunque componente di un impianto.
Per valutare il rendimento energetico di un accumulatore si considera normalmente il seguente parametro:
Rendimento in quantità di elettricità: è il rapporto fra gli amperora erogati alla scarica e gli amperora assorbiti alla carica. Mediamente il valore di questo rendimento è di 0.9-0.95.
Questo valore permette agli accumulatori di disperdere sotto forma di perdite di vario genere una parte piccolissima dell’energia da essi immagazzinata rendendo il loro utilizzo quasi a “costo zero” in termini di energia necessaria al loro funzionamento.
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