Batterie ricaricabili (accumulatori)

Batterie al piombo

Le batterie al piombo (tensione nominale 2V), nelle loro varianti, piombo-acido, piombo-gel, ermetiche, piombo-calcio, etc, costituiscono la più vecchia e diffusa tecnologia di accumulatori. Hanno un costo piuttosto limitato ed un'energia specifica riferita al volume di poco inferiore agli accumulatori al nichel-cadmio, mentre l'energia specifica riferita al peso non è delle migliori, come ben si sa. Le batterie di questo tipo utilizzate in ambiente industriale, variano come capacità da 50 A/h a 5000 A/h. La loro autoscarica è inferiore allo 0,1 % al giorno a temperatura ambiente e non risentono di nessun fenomeno di memoria, nonostante ripetuti brevi utilizzi e continui scariche e ricariche a cui possono essere sottoposte.

D'altra parte lo sviluppo di idrogeno, soprattutto durante la fase finale della carica, che può portare ad un pericolo di esplosione in ambiente chiuso, e la presenza del piombo che deve essere smaltito secondo precise modalità, sono i maggiori svantaggi (oltre al peso) che questi accumulatori si portano addosso. Le applicazioni vanno dal settore automobilistico, agli UPS, ai carrelli elevatori, alle più svariate applicazioni industriali.

Per queste batterie vanno adottati dei programmi di manutenzione (in maniera limitata anche per il tipo ermetico) che consistono nella verifica della densità del liquido, nell'ispezione visiva delle interconnessioni fra elementi in serie, nell'aggiunta di elettrolito o acqua, se necessario.

Il ciclo di vita non è elevatissimo con una durata che dopo i 200 cicli risulta avere una capacità inferiore all'80% del valore nominale.

Fig. 6 – Batteria al piombo ermetica (FIAMM)

Batterie al nichel-cadmio

Penalizzate dalla presenza del cadmio, elemento tossico, queste batterie (tensione nominale 1,2 V) hanno però notevoli vantaggi, a partire da un rapporto costi/prestazioni elevato, unito ad un elevato numero di cicli di carica possibili (da 500 a 1000). Di contro, occorre dire che sono soggette al famigerato effetto memoria, cioè dopo un certo numero di scariche e ricariche parziali, richiesta di fornire la capacità completa, la batteria al nichel-cadmio non è in grado, se non dopo due o tre cicli di carica/scarica completi. L'autoscarica è di circa lo 0,3% al giorno, a temperatura ambiente.

Gli utilizzi sono diversi e vanno dai telefoni cellulari, alle macchine fotografiche e tutte quelle applicazioni combinate spina-batteria (rasoi elettrici, registratori, telecamere, radioricevitori etc.).

Batterie al nichel-idruro metallico

Gli accumulatori al nichel-idruri metallici hanno una capacità più elevata di quella degli accumulatori al cadmio (circa doppia). La durata di vita è simile alle nichel-cadmio (500-100 cicli di carica/scarica), ma l'effetto memoria è quasi completamente assente, anche se occorre fare attenzione, durante il processo di carica, a non superare i 50 °C, pena il danneggiamento delle batterie stesse: per questo motivo vengono utilizzati caricatori appositi. Gli svantaggi rispetto agli accumulatori al cadmio sono rappresentati da una minore energia specifica e da un più marcato processo di autoscarica.

Sul lato ambientale non c'è ovviamente confronto, a vantaggio degli accumulatori NiMH che sono ecologicamente molto più accettabili, non avendo metalli pesanti come il cadmio. Purtroppo il costo è attualmente del 25% circa superiore rispetto ad un'analoga batteria al NiCd.

Le applicazioni sono pressoché infinite e si sovrappongono quasi perfettamente a quelle delle batterie sorelle al NiCd: computer portatili, cellulari, sistemi audiovisivi, applicazioni domestiche, periferiche industriali, etc.

Batterie al litio

Sfruttano, come le pile al litio, l'alto potenziale elettrochimico del litio e il suo basso peso specifico (tensione nominale 3 V). Altri vantaggi consistono in un'elevata energia specifica (sia di massa che di volume), in una lunga durata in cicli ed in una minima autoscarica. Infine, con gli accumulatori al litio non si corre il rischio di contaminare l'ambiente (a differenza di quanto avviene con gli accumulatori al cadmio). I tempi di ricarica sono molto brevi e per giunta senza effetto memoria, anche se necessitano di un caricatore particolare. Il loro costo (400-600 € kWh) non aiuta la loro diffusione sul mercato, che pure è in espansione particolarmente per PC portatili, telefoni cellulari e videoregistratori.

Celle a combustibile

Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che converte direttamente l'energia di un combustibile in elettricità e calore senza passare attraverso cicli termici. Quindi funziona in modo analogo ad una batteria, in quanto produce energia elettrica attraverso un processo elettrochimico, ma a differenza di quest'ultima, consuma sostanze provenienti dall'esterno ed è quindi in grado di funzionare senza interruzioni, finché al sistema viene fornito combustibile ed ossidante.

Fig. 7 – Confronto fra celle a combustibile e generazione tradizionale (ENEA)

Ogni cella è composta da due elettrodi in materiale poroso, separati da un elettrolita. Gli elettrodi fungono da siti catalitici per le reazioni di cella che consumano fondamentalmente idrogeno ed ossigeno, con produzione di acqua e passaggio di corrente elettrica nel circuito esterno. La trasformazione elettrochimica è accompagnata da produzione di calore, che è necessario estrarre per mantenere costante la temperatura di funzionamento della cella. Le singole celle (caratterizzate da tensioni comprese da mezzo volt a un volt) vengono collegate in serie in modo da ricavare una tensione complessiva del valore desiderato formando il cosiddetto stack (pila)

A differenza dei combustibili fossili, l'idrogeno provoca poche emissioni inquinanti, anche se, a contatto con l'ossigeno, è altamente esplosivo. L'idrogeno, inoltre, può essere immagazzinato allo stato gassoso, liquido o legato chimicamente. Le celle a combustibile possono essere classificate in base al tipo di elettrolita utilizzato: celle a combustibile ad elettrolita polimerico, alcaline, ad acido fosforico, a carbonati fusi, ad ossidi solidi.

Le applicazioni principali vanno dalla trazione per veicoli, all'alimentazione di reti elettriche e sistemi di emergenza. Interessantissime sono le celle a combustibile miniaturizzate per impieghi portatili (telefoni cellulari, computer portatili) da utilizzare in alternativa, per esempio, ad una batteria Ni-Cd e senza bisogno di ricarica, in quanto basta rimpiazzare in modo rapido il combustibile. Un altro vantaggio potenziale delle celle a combustibile è dato dai costi. Una batteria Ni-Cd da 20 W dura un'ora e costa 15 €. Una batteria ricaricabile al litio fornisce la stessa potenza per circa tre ore, ma costa almeno quattro volte di più. Per contro una cella a combustibile alimentata a metanolo potrebbe durare 30 ore e costare appena 1,5-4 €.

Ricordiamo che della produzione di energia elettrica attraverso le celle a combustibile si occupa anche la nuova guida CEI 64-57.

Supercondensatori

I supercondensatori non rientrano nella categoria dei dispositivi che convertono energia chimica in energia elettrica, ma il loro obiettivo è sostanzialmente lo stesso. Tutti sappiamo che un condensatore carico è come una sorta di batteria che però, a causa dei bassi valori di capacità, si scarica in tempi brevissimi ed oltretutto con legge esponenziale. Un supercondensatore moltiplica questa possibilità, assumendo valori di capacità nell'ordine delle centinaia o addirittura migliaia di Farad, permettendone così l'uso come riserva per applicazioni di piccola potenza.

I vantaggi di questa tecnologia sono diversi: i tempi di carica sono rapidissimi (circa 10 secondi), anche se ovviamente anche i tempi di autoscarica (scarica a circuito aperto) sono molto più rapidi rispetto a quelli di una batteria tradizionale (50% del valore dopo un mese, contro il 90% del valore di una qualunque batteria al Nichel). Un altro notevole vantaggio è dato dal tempo di vita, infatti un supercondensatore può essere caricato e scaricato un numero praticamente illimitato di volte, in quanto tale processo non implica, o quasi, reazioni chimiche. Inoltre anche l'effetto memoria è totalmente assente e non ci sono nemmeno problemi di eventuali sovraccarichi in quanto, come si sa dalla natura dei condensatori, una volta terminato il processo di carica non viene più accettata energia. Poiché i supercondensatori possono fornire elevate potenze elettriche per brevi periodi di tempo, mentre i generatori primari sono più adatti a fornire correnti elettriche per tempi lunghi e intensità costante, i supercondensatori stessi possono essere quindi utilizzati vantaggiosamente, insieme a batterie, nei veicoli elettrici, nelle ricetrasmittenti, nelle videocamere, negli stereo, negli UPS per i quali si verificano durante il funzionamento richieste di potenza variabili. In particolare risultati del Centro Ricerche FIAT di Orbassano, ottenuti allestendo una autovettura con supercondensatori ad elettrodi di carbone, hanno evidenziato un positivo effetto sulle batterie di servizio qualora abbinate ai supercondensatori: viene richiesta una capacità ridotta della batteria di servizio con conseguente riduzione di peso (oltre il 30%) e riduzione di materiali inquinanti sia a bordo del veicolo sia allo smaltimento a fine vita dell'accumulatore stesso.

Fig. 8 – Supercondensatore da 2700 F con energia specifica riferita al volume di 5,8 kWh/m 3 e riferita al peso di 3,9 kWh/kg (Maxwell)

Batterie e ambiente

Il corpo normativo che intreccia le batterie con la difesa dell'ambiente è abbastanza corposo, visto il frequente utilizzo al loro interno di metalli pesanti quali piombo, cadmio e mercurio di natura tossica.

• DM 476/97 : è il decreto di recepimento delle direttive 91/157/CEE e 93/86/CEE relative alle pile ed agli accumulatori contenenti sostanze pericolose (mercurio, cadmio e piombo). Il decreto definisce gli obblighi di produttori, importatori, distributori e rivenditori nel garantire la raccolta differenziata, il recupero e lo smaltimento di pile e accumulatori contenenti al loro interno le tre sostanze citate. La direttiva 91/157/CEE è attualmente in fase di revisione alla Commissione Europea;

• Dlgs 151/05 : è il decreto, da poco pubblicato, che recepisce le direttive 2002/95/CE, 2002/96/CE e 2003/108/CE, relative alla riduzione dell'uso di sostanze pericolose nelle apparecchiature elettriche ed elettroniche, nonché allo smaltimento dei rifiuti. Il Decreto Legislativo prevede una apposita "campana" per raccogliere questo genere di rifiuti, particolari restrizioni sull'uso di determinate sostanze pericolose in queste apparecchiature, l'onere a carico dei distributori, al momento della fornitura di una nuova apparecchiatura destinata ad un nucleo domestico, di ritirare gratuitamente i vecchi prodotti, il finanziamento delle operazioni di trasporto, trattamento, recupero e smaltimento finale della spazzatura elettronica a carico dei produttori. Tra le finalità principali del provvedimento c'è quella di garantire la realizzazione di un sistema di raccolta differenziata, recupero e riciclaggio dei rifiuti elettrici, di vietare l'utilizzo di sostanze pericolose come mercurio, piombo, cadmio, cromo, etc, di. realizzare sistemi di trattamento, recupero e smaltimento finale di questi rifiuti finanziati essenzialmente dai produttori delle apparecchiature e di marcare tutte le apparecchiature con un simbolo che indichi ai cittadini la necessità della raccolta differenziata.

• Legge 475/88 : è la legge istitutiva del Consorzio obbligatorio per le batterie al piombo esauste e i rifiuti piombosi (COBAT), ente senza fini di lucro che assicura la raccolta, il trasporto e il riciclo delle batterie al piombo esauste in impianti specifici che garantiscono il recupero del piombo metallico e l'inertizzazione o l'eventuale recupero dell'acido solforico evitando, in questo modo, la dispersione nell'ambiente di elementi pericolosi. Dalla legge 475/88, (modificata dalla legge 39/2002) c'è l'obbligo per chiunque detenga batterie al piombo esauste o rifiuti piombosi al loro conferimento al COBAT direttamente o mediante consegna a soggetti incaricati dal Consorzio o autorizzati, in base alla normativa vigente, a esercitare le attività di gestione di tali rifiuti.

Fine

13 ottobre 2006

Prodotto da Elektro 2000