Barriere a livello di cella e di modulo: carta in fibra, laminati microporosi e aerogel a confronto

Una fuga termica (thermal runaway) inizia sempre in una singola cella. Che ne derivi un evento circoscritto o l’incendio completo dell’intero container di accumulo si decide nei primi secondi e minuti, e dipende dal fatto che la cella adiacente debba assorbire o meno il calore trasmesso. È qui che intervengono le barriere termiche a livello di cella e di modulo: sottili strati separatori tra le celle e piastre divisorie tra i moduli, che limitano il flusso termico finché l’energia rilasciata non è stata dissipata o distribuita.

Per progettisti e installatori di sistemi di accumulo stazionari il tema è doppiamente rilevante. In primo luogo, procedure di prova come UL 9540A valutano il comportamento di propagazione dalla cella al modulo fino all’unità: una barriera efficace a livello di cella migliora il risultato su tutti i livelli superiori. In secondo luogo, lo spazio disponibile nei rack moderni è estremamente ridotto: ogni millimetro di materiale barriera va a scapito della densità energetica. La scelta del materiale è quindi sempre un compromesso tra prestazione termica, spessore, comportamento meccanico e costi.

Carte e materassini in fibre per alte temperature, come la classica lana di silicato di alluminio o la lana biosolubile di silicati alcalino-terrosi, sono consolidati da decenni nella costruzione di forni industriali. I loro punti di forza: temperature di classificazione molto elevate (a seconda del tipo di fibra, tipicamente nell’intervallo di circa 1.100–1.400 °C), buona disponibilità, facile lavorazione mediante fustellatura o taglio e un prezzo contenuto. Come strato separatore tra i moduli o come rivestimento degli involucri dei moduli offrono un servizio affidabile.

I loro limiti risiedono nella conducibilità termica e nel comportamento meccanico. Le carte in fibra isolano molto meno dei materiali microporosi o degli aerogel e richiedono quindi uno spessore maggiore per ottenere lo stesso effetto protettivo. Sotto compressione permanente perdono inoltre capacità di ritorno elastico: per le posizioni in cui lo swelling delle celle deve essere assorbito elasticamente, da sole sono quindi adatte solo in parte. Per le classiche fibre di silicato di alluminio va inoltre considerata la classificazione come potenzialmente cancerogene, che comporta misure di protezione particolari durante la lavorazione e lo smantellamento; le fibre biosolubili evitano questo problema.

• Impiego tipico: strati separatori tra i moduli, rivestimento degli involucri di moduli e rack, strato di fondo dei canali di evacuazione dei gas
• Punti di forza: elevata resistenza alla temperatura, lavorazione semplice, costo contenuto
• Punti deboli: conducibilità termica più alta, ritorno elastico limitato, problematica delle polveri di fibra a seconda del tipo di fibra

Gli isolanti microporosi sono costituiti da silice pirogenica con opacizzanti e raggiungono dimensioni dei pori inferiori al libero cammino medio delle molecole d’aria. Il risultato è una conducibilità termica che alle alte temperature è inferiore a quella dell’aria ferma: nessun altro materiale di uso comune isola meglio per millimetro a contatto con gas caldi. Le temperature di classificazione si collocano, a seconda del prodotto, per lo più intorno ai 1.000 °C. È proprio questa combinazione a rendere pannelli e laminati microporosi la prima scelta quando in spazi ristrettissimi occorre mantenere un gradiente di temperatura molto ripido.

Il prezzo da pagare è la sensibilità meccanica: il materiale è sensibile alla pressione e polveroso, per cui viene lavorato praticamente sempre accoppiato, sigillato in film, avvolto in tessuto di vetro o come laminato con strati di copertura in mica o lamina metallica. Questi laminati combinano l’effetto isolante del nucleo microporoso con la rigidità dielettrica e la resistenza all’erosione da particelle dello strato di copertura. Per le posizioni soggette a compressione ciclica, cioè direttamente tra celle che «respirano», il materiale è invece inadatto, perché sotto carico alternato può compattarsi e perdere la propria struttura.

Gli aerogel di silice sono tra i solidi con la più bassa conducibilità termica in assoluto; i compositi in aerogel rinforzati con fibre raggiungono a temperatura ambiente conducibilità termiche nell’ordine di 0,015–0,02 W/(m·K). A livello di cella, però, conta soprattutto la combinazione di effetto isolante, spessore ridotto e cedevolezza meccanica: pad in aerogel di pochi millimetri di spessore possono resistere per breve tempo a temperature di fiamma molto elevate e al tempo stesso assorbire elasticamente la «respirazione» e il rigonfiamento delle celle per migliaia di cicli, senza sviluppare una deformazione residua da compressione significativa.

I compositi in aerogel occupano così la posizione che carta in fibra e laminati microporosi non coprono: la barriera diretta tra cella e cella nei moduli prismatici e tra celle pouch, dove barriera e pad di compressione coincidono in un unico componente. Gli svantaggi sono il prezzo più elevato, la temperatura di impiego continuo limitata rispetto alla fibra ceramica, variabile a seconda del prodotto, e il possibile rilascio di polveri, anch’esso gestito tramite accoppiamenti. Per separazioni di moduli su grandi superfici o rivestimenti degli involucri spesso non sono la prima scelta dal punto di vista economico.

• Carta in fibra: ampia riserva di temperatura, richiede spessore; adatta per separazione dei moduli e involucri
• Laminato microporoso: miglior isolamento per millimetro, sensibile alla pressione; adatto per barriere statiche con poco spazio
• Composito in aerogel: isola molto bene e assorbe elasticamente lo swelling; adatto per la posizione tra cella e cella
• Mica: forte sul piano meccanico ed elettrico, isola poco; adatta come strato di copertura in sistemi compositi

La scelta del materiale non inizia dalla scheda tecnica, ma dal caso di carico: quanta energia rilascia la cella, quanto dura lo sfiato (venting), quali temperature e flussi di particelle si verificano sulla barriera e quale temperatura massima può raggiungere il lato freddo affinché la cella adiacente non entri nel campo critico? Da queste condizioni al contorno derivano spessore e struttura, spesso sotto forma di composito multistrato che combina nucleo isolante, protezione dalle particelle e isolamento elettrico.

La verifica dell’efficacia avviene in definitiva tramite prove: i test di propagazione a livello di cella e di modulo, standardizzati in Nord America dalla UL 9540A, mostrano se la barriera arresta davvero la propagazione o si limita a ritardarla. Importante per i gestori: un cambio di materiale durante la vita del prodotto, ad esempio per motivi di costo o di approvvigionamento, può mettere in discussione la validità delle prove esistenti. I materiali barriera rientrano quindi nel controllo delle modifiche del concetto di sicurezza, non nell’acquisto libero.