Carrelli elevatori con batterie agli ioni di litio: rischio o opportunità?

Articolo a cura del Dott. Fisico Giovanni Gavelli

Premessa

Si iniziano a vedere nelle aziende più strutturate, essenzialmente nei reparti di logistica, i primi carrelli elevatori e trans pallet che incorporano batterie agli ioni di Litio. Le batterie agli ioni di Litio permettono di evitare complicazioni Atex come, per esempio, sistemi di ventilazione o aperture e procedure di ricarica. Il problema è che si è notato che vi è una scarsa informazione sul fatto che il rischio dovuto all’introduzione di batterie al Litio può essere maggiore rispetto alle batterie al Piombo in particolare in caso di incendio.

Gli incendi causati dalle batterie agli ioni di Litio sono tra i più impegnativi da spegnere, poiché si innescano reazioni a catena che sviluppano altissime temperature con conseguenti incendi difficilmente estinguibili con gli agenti estinguenti più comuni.

Il D.lgs. 81/2008 che rappresenta il Testo Unico sulla Salute e Sicurezza sul Lavoro, è molto chiaro sugli obblighi previsti dalla legge.

È dovere del datore di lavoro “l’eliminazione dei rischi e, ove ciò non sia possibile, la loro riduzione al minimo in relazione alle conoscenze acquisite in base al progresso tecnico “.

Inoltre, è obbligo del datore di lavoro “adottare le misure necessarie ai fini della prevenzione incendi e dell’evacuazione dei luoghi di lavoro (…)

Tali misure devono essere adeguate alla natura dell’attività, alle dimensioni dell’azienda o dell’unità produttiva, e al numero delle persone presenti”.

Nel caso delle batterie al Litio, è necessario quindi, che il datore di lavoro riconosca il pericolo intrinseco derivante dalla loro gestione, e prenda di conseguenza i provvedimenti adeguati alla tutela di operatori, beni aziendali e ambienti di lavoro.

Cos'è il litio?

Il Litio è l’elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha numero atomico tre e simbolo Li e nella tavola periodica degli elementi è collocato subito dopo l’Idrogeno e l’Helio. È il secondo elemento del primo gruppo, ma è il primo degli elementi metallici e il capostipite dei metalli alcalini. Tra questi, l’energia di ionizzazione e l’affinità elettronica del Litio sono le più alte; di conseguenza, ha anche la più alta elettronegatività. Questi sono i motivi per cui viene utilizzato per la costruzione di accumulatori di energia. Come gli altri metalli alcalini, il Litio nella sua forma pura è altamente infiammabile e leggermente esplosivo se esposto all’aria e soprattutto all’acqua, con la quale reagisce in maniera violenta con produzione di idrogeno.

Perché potrebbe incendiarsi un accumulatore al litio?

Vi sono varie tipologie di accumulatori ma sono tutte caratterizzate dalla seguente struttura:

Un Anodo
Un Catodo
Un setto di separazione
Una soluzione elettrolitica.

All’interno di una batteria per carrelli elevatori sono presenti un elevato numero di celle (936 – 2808) rispetto, per esempio, al numero di celle contenute all’interno di un accumulatore di uno smartphone (6- 10 celle).

Le principali cause che possono far innescare un accumulatore al Litio sono le seguenti:

Contatto elettrico tra Anodo e Catodo dovuto a urto, perforazioni o vibrazioni.
Impurezze (particelle metalliche) nella soluzione elettrolitica. Le particelle metalliche possono creare un “ponte elettrico” tra Anodo e Catodo.
Temperatura troppo alta (maggiore di 60 °C) o troppo bassa (minore di 0°C).
Rottura del setto separatore dovuta a urti, vibrazioni o perforazioni.
Errata carica e scarica dell’accumulatore. Gli accumulatori vanno sempre ricaricati nel range 20 – 80 % ovvero non vanno scaricati totalmente. Gli accumulatori agli ioni di Litio non devono abbassarsi al di sotto di 2 V/cella per un certo periodo di tempo in quanto all’interno delle celle si potrebbero formare delle “deviazioni” (Shunt) di Rame che possono portare ad un’auto scarica o ad un corto circuito elettrico.

Le aziende produttrici cercano comunque di ridurre al minimo i rischi predisponendo i seguenti sistemi di sicurezza:

Limiti dei potenziali di carica e scarica,
Bilanciamento dei potenziali di carica per celle in serie,
Un dispositivo di sicurezza contro i corti circuiti,
Carica-batteria intelligenti dedicati,
Elettronica di controllo montata sulla batteria,
Produzione delle batterie in camere “bianche”.

Gas pericoloso prodotti durante un incendio

All’interno di un accumulatore al Litio sono presenti sostanze chimiche molto pericolose per la salute.

Quando bruciano, le batterie a ioni di Litio possono produrre fumi tossici contenenti HF, ossidi carbonio, alluminio, Litio e cobalto. Può inoltre formarsi penta fluoruro di fosforo, un gas molto tossico, che provoca ustioni a pelle, mucose e occhi e inoltre reagisce violentemente con l’acqua liberando acido fluoridrico (tossico e corrosivo).

In caso di incendio in un luogo in cui siano presenti batterie a ioni di Litio, irrorare la zona adiacente con acqua. Se una batteria sta bruciando, l’acqua può non essere in grado di spegnere le fiamme ma raffredda le batterie nelle vicinanze e impedisce il propagarsi dell’incendio.

Per estinguere piccoli incendi è preferibile utilizzare sostanze chimiche secche, CO2, estintori a grafite (LITH-X), a polvere di rame, a sabbia, a polvere di dolomite, a soda-acido, a dispersione acquosa di vermiculite (AVD). È molto improbabile comunque riuscire a spegnere l’incendio, la batteria in fiamme brucerà completamente le sostanze contenute al suo interno. Per esempio, per mantenere la temperatura limitata, senza spegnerla, di una batteria Tesla che brucia servono circa 12 mila litri di acqua ovvero sei camion cisterna (Vedi link vigili del fuoco di Lugano alla fine del documento).

Valutazione del rischio

Il rischio viene calcolato con la seguente tipica relazione:

Rischio = Probabilità x Danno

La probabilità che possa avvenire un incendio dipende dai seguenti aspetti:

a) Numero di urti che avvengono tra carrelli.
b) Entità delle vibrazioni trasmesse alle batterie.
c) Corretta manutenzione.
d) Percentuale di batterie con difetti (tipologia e qualità batterie).
e) Temperatura dell’ambiente.
f) Presenza o meno di irraggiamento solare.
g) Presenza di atmosfere inquinanti (polveri, sostanze ossidanti, acidi).
h) Tempo di vita trascorso della batteria.

L’introduzione di batterie agli ioni di Litio è abbastanza recente, si ritiene che le batterie attive in ambito industriale siano al 90 % recenti ovvero eventuali incendi inizieranno a vedersi nei prossimi anni. La probabilità viene quindi codificata nel seguente modo:

Per stimare il danno si è cercato di definire quante K calorie può sviluppare una batteria agli di Litio durante un incendio. Esiste uno studio “Operazioni di ricarica di veicoli elettrici: la misura dell’HRR per la modellazione delle distanze di sicurezza Paola Russo, Maria Luisa Mele – ENEA – LA SAPIENZA” dove si può assumere come dato generale di energia rilasciata da una singola cella il valore pari a 304 KJ/cella ovvero 73 kCal/cella.

Considerando per il legno il potere calorifico di 4384 kCal/Kg e della benzina 10350 Kcal/Kg si ottiene la seguente tabella indicativa del carico di incendio.

Esistono altri studi che considerano un fattore dieci maggiore. In attesa di altre pubblicazioni si assumono comunque i dati riportati.

L’Indice di DANNO risulterà comunque elevato in quanto occorre ricordare che in caso di incendio di una batteria agli ioni di Litio si sviluppano gas tossici e l’incendio è molto difficile da domare. È possibile ridurre l’indice di Danno posizionando i carrelli, quando non utilizzati e privi di controllo, in area aperta distanti da strutture, da materiali combustibili e operatori. (vedi misure di prevenzione).

Misure di prevenzione

Evitare cortocircuiti sui morsetti delle batterie, non appoggiare nessun oggetto nel vano batterie.
Mantenere la batteria asciutta.
Non danneggiare né rimuovere il coperchio della batteria.
Tenere lontano da fiamme libere, superfici calde e da fonti di accensione.
Non danneggiare né deformare la batteria.
Proteggere da urti meccanici.
Utilizzare esclusivamente il caricabatterie indicato dal produttore.
Non immagazzinare le batterie con prodotti metallici, acqua, acidi forti né con agenti ossidanti forti.
Immagazzinare al coperto, a temperature fra 0 °C e +25 °C in ambiente asciutto, con umidità dell’aria inferiore al 60%, stato di carica della batteria 50-75%.
Evitare l’esposizione alla luce solare diretta in particolare in estate.
Assicurarsi che il livello di carica della batteria agli Ioni di Litio sia basso (~50%) prima del trasporto su strada. Il trasporto dovrebbe avvenire a una temperatura ambiente compresa tra -40 °C e +60 °C. Tenere il carrello in un ambiente controllato per 24 ore prima del normale uso.
Nel caso in cui il carrello venga utilizzato in celle frigorifere, le batterie agli Ioni di Litio standard consentono di lavorare in ambienti refrigerati per un periodo di tempo limitato. Per l’utilizzo prolungato all’interno di celle frigorifere è necessaria una batteria con l’opzione “riscaldamento”. Ciò consentirà alla batteria di mantenersi calda grazie agli elementi riscaldanti interni.

Raccomandazioni per le aree di ricarica

Scegliere un’area a basso transito di veicoli o installare delle barriere di protezione per i carrelli posti in carica. Non collocare le aree di ricarica e le aree di parcheggio nelle vie di esodo.
Non sistemare il caricabatterie in un ambiente piccolo e chiuso privo di ricambio dell’aria.
Evitare di installare le aree di ricarica in ambienti molto polverosi o molto umidi.
Il pavimento, le pareti e il soffitto dovrebbero essere in materiale ignifugo.
Non collocare le aree di parcheggio e di ricarica adiacenti a stoccaggi di materiali infiammabili o combustibili.
Il carica batterie deve poter essere scollegato dalla rete di alimentazione tramite un interruttore sezionatore possibilmente a “distanza”.
Mantenere una distanza tra carrello di almeno 3 metri per avere lo spazio di manovra per l’utilizzo di estintori e trasporto verso l’esterno.

Precauzioni antincendio

Installare estintori di tipo AVD o a Grafite in posizione accessibile nei pressi dell’area di ricarica o di parcheggio.
Dotare l’area di ricarica e di parcheggio di un rilevatore di fumo e incendio.
È preferibile installare anche un rubinetto dell’acqua e un tubo flessibile nei pressi dell’area di ricarica e di parcheggio.
Se possibile, installare un sistema antincendio a pioggia automatico.
Se si rileva un incendio o del fumo sul carrello durante la guida, spegnere il mezzo e allontanarsi dall’area pericolosa, se possibile portare il veicolo all’esterno.
Se si rileva un incendio o del fumo durante le operazioni di ricarica del carrello, spegnere il caricabatterie o scollegarlo e allontanarsi dall’area pericolosa, se possibile, portare il veicolo all’esterno.
Evitare di inalare il fumo, è molto tossico.
Evacuare l’area.
Chiamare i vigili del fuoco.

Occorre precisare che l’incendio può avvenire durante la ricarica delle batterie ma anche dopo molte ore aver subito un urto o un surriscaldamento e non necessariamente nella fase di ricarica.

Conclusioni

Il D.lgs. 81/2008 che rappresenta il Testo Unico sulla Salute e Sicurezza sul Lavoro, è molto chiaro sugli obblighi previsti dalla legge.

A fronte di un’accurata valutazione dei rischi specifici per il tipo di attività svolta, è dovere del datore di lavoro “l’eliminazione dei rischi e, ove ciò non sia possibile, la loro riduzione al minimo in relazione alle conoscenze acquisite in base al progresso tecnico”.

Inoltre, è obbligo del datore di lavoro “adottare le misure necessarie ai fini della prevenzione incendi e dell’evacuazione dei luoghi di lavoro (…)

Tali misure devono essere adeguate alla natura dell’attività, alle dimensioni dell’azienda o dell’unità produttiva, e al numero delle persone presenti”.

Ovviamente la presente trattazione si può anche applicare alla gestione delle macchine elettriche e degli UPS, ma questo verrà trattato in altra sede.