Con la crescente diffusione della mobilità elettrica e l’uso sempre più intensivo delle batterie al litio in ambito industriale e stazionario, la gestione termica diventa una delle sfide più critiche per garantire prestazioni, sicurezza e durata nel tempo. Tra le soluzioni più promettenti e innovative per il raffreddamento delle batterie troviamo l’Immersion Cooling, o raffreddamento a immersione.
Negli ultimi anni, il raffreddamento a immersione si è imposto come una delle soluzioni più innovative per la gestione termica delle batterie nei veicoli elettrici (EV). Con il mercato delle auto elettriche in crescita esponenziale – si stima un incremento annuo del 36% nel prossimo decennio secondo l’IEA – l’ottimizzazione delle prestazioni delle batterie diventa quindi cruciale.
In questo articolo approfondiamo cos’è, come funziona e perché rappresenta un punto di svolta per la Archimede Energia, azienda di produzione specializzata di batterie al litio ad alta efficienza.
Cos'è l'Immersion Cooling?
L’Immersion Cooling, raffreddamento a immersione, è una tecnologia avanzata di raffreddamento in cui le celle della batteria vengono immerse in un fluido dielettrico (non conduttivo), capace di assorbire direttamente il calore generato durante il funzionamento. A differenza dei tradizionali sistemi ad aria o a liquido con circuiti secondari, questo approccio consente una dissipazione termica molto più efficiente e uniforme.
Questa tecnica nasce nel mondo dell’elettronica di potenza – in particolare per i data center – ma trova oggi un’applicazione strategica nelle batterie al litio, sia in ambito automotive (EV) sia in ambito industriale o stazionario, grazie alla sua capacità di rispondere in modo efficace alle richieste di prestazioni elevate e lunga durata.
Come funziona il raffreddamento a immersione?
Il principio è “semplice”: immergendo completamente il modulo batteria in un fluido dielettrico, si ottiene un contatto diretto tra fonte di calore e mezzo refrigerante. Il calore viene assorbito in maniera omogenea e trasferito a un sistema di dissipazione (generalmente uno scambiatore), mantenendo le celle entro il range ottimale di temperatura.
Esistono diverse configurazioni, tra cui:
- Immersion Cooling a singola fase: il fluido rimane sempre liquido e viene fatto circolare in un circuito chiuso;
- Immersion Cooling a due fasi: il fluido evapora assorbendo calore e condensa successivamente, offrendo prestazioni termiche ancora più elevate.
Quali sono i vantaggi dell’Immersion Cooling per le batterie al litio?
L’adozione dell’Immersion Cooling comporta una serie di benefici misurabili:
- Raffreddamento uniforme e stabile
Eliminando gli hotspot e garantendo una distribuzione termica omogenea, le celle operano sempre in condizioni ottimali. - Maggiore sicurezza
Riduce il rischio di surriscaldamento, corto circuito e runaway termico, migliorando la stabilità dell’intero sistema. - Efficienza energetica
Diminuisce il consumo di energia associato al raffreddamento attivo, migliorando l’efficienza complessiva del sistema di accumulo. - Compattezza del design
Eliminando ventilatori, scambiatori e tubazioni complesse, consente pack batterie più leggeri e compatti. - Aumento della durata della batteria
Temperature più basse e costanti riducono lo stress termico sulle celle, prolungandone il ciclo di vita.
Quali sono le principali tipologie di Immersion Cooling per sistemi a batteria?
Nel contesto delle batterie al litio, possiamo identificare diverse configurazioni, ognuna con caratteristiche specifiche che ne determinano l’efficacia e l’applicabilità in vari contesti. Di seguito sono elencate le principali tipologie:
1. Pumped Liquid (Liquido Pompato)
- In questo sistema, un fluido dielettrico viene pompato attraverso le celle della batteria per assorbire il calore. Il fluido riscaldato viene poi fatto circolare attraverso uno scambiatore di calore per dissipare il calore nell’ambiente.
- Vantaggi: Elevata efficienza termica, adatto per sistemi di grandi dimensioni.
- Svantaggi: Richiede componenti meccanici come pompe e tubazioni, che possono aumentare la complessità e il costo del sistema.
2. Spray (Spruzzo)
- Il fluido dielettrico viene spruzzato direttamente sulle celle della batteria, dove evapora assorbendo il calore. Il vapore viene poi condensato e riciclato.
- Vantaggi: Elevata efficienza di raffreddamento, riduzione del rischio di surriscaldamento locale.
- Svantaggi: Richiede un sistema di gestione del vapore e può essere più complesso da implementare.
3. Pool Boiling or Vapor Chamber (Ebollizione in Vasca o Camera di Vapore)
- Le celle della batteria sono immerse in un fluido dielettrico che bolle a contatto con le superfici calde, trasferendo il calore attraverso l’evaporazione e la condensazione.
- Vantaggi: Elevata efficienza termica, distribuzione uniforme del calore.
- Svantaggi: Richiede una gestione accurata del fluido e delle temperature per evitare punti caldi.
4. Gap Filter (Filtro a Interstizio)
- Un fluido dielettrico viene fatto circolare attraverso piccoli canali o interstizi tra le celle della batteria, assorbendo il calore e trasferendolo lontano dalle celle.
- Vantaggi: Design compatto, adatto per sistemi con spazio limitato.
- Svantaggi: Può richiedere una progettazione complessa per garantire un flusso uniforme del fluido.
5. Static Bath (Vasca Statica)
- Le celle della batteria sono immerse in un fluido dielettrico statico, che assorbe il calore attraverso conduzione e convezione naturale.
- Vantaggi: Design semplice, basso costo di manutenzione.
- Svantaggi: Efficienza termica inferiore rispetto ai sistemi dinamici.
6. Pumped 2 Phase (Liquido Pompato Bifase)
- Un fluido dielettrico viene pompato attraverso le celle della batteria, dove cambia fase da liquido a vapore assorbendo il calore. Il vapore viene poi condensato e riciclato.
- Vantaggi: Elevata efficienza termica, adatto per sistemi ad alta densità energetica.
- Svantaggi: Complessità progettuale e costi più elevati.
A seconda dell’applicazione – trazione elettrica, accumulo industriale, UPS – è possibile selezionare il sistema più adatto bilanciando efficienza, ingombro e costo.
Quali fluidi si utilizzano nel raffreddamento a immersione?
La scelta del fluido dielettrico è centrale per le prestazioni del sistema. Esistono diverse opzioni per il raffreddamento a immersione, tra cui:
Idrofluoroeteri (HFE), Oli siliconici, Miscele acqua/glicole, Oli minerali e Fluorochetone (FK-5-1-12).
Per le nostre applicazioni in Archimede Energia, selezioniamo fluidi dielettrici ad alte prestazioni, ecocompatibili e compatibili con l’architettura delle nostre celle.
In quali contesti è utile l’Immersion Cooling per le batterie al litio?
L’adozione di questa tecnologia si sta rapidamente estendendo nei seguenti settori:
- Veicoli elettrici (EV): per garantire autonomia, sicurezza e prestazioni elevate su lunghi cicli di utilizzo.
- Accumulo energetico industriale e residenziale: in ambienti dove la stabilità termica è fondamentale.
- UPS e backup di rete: per massimizzare l’affidabilità dei sistemi in situazioni critiche.
- Applicazioni navali e ferroviarie: dove la compattezza e la sicurezza sono essenziali.
L’Immersion Cooling è sicuro?
Sì. I fluidi utilizzati sono progettati per essere:
- Non conduttivi elettricamente
- Non infiammabili
- Stabili nel tempo
- Sicuri per gli operatori
È però fondamentale affidarsi a un partner con competenze avanzate in progettazione termica, chimica dei materiali e ingegneria dei sistemi batterie.
Quali sono le sfide dell’Immersion Cooling?
Le principali criticità da considerare includono:
- Costo dei fluidi: ancora elevato, soprattutto per soluzioni a due fasi.
- Compatibilità dei materiali: non tutti i componenti delle batterie sono adatti all’immersione.
- Gestione e manutenzione del fluido: è necessario monitorare la qualità e sostituirlo nel tempo.
- Progettazione avanzata: serve know-how specifico su fluidodinamica e ingegneria termica.
Il futuro dell’Immersion Cooling per batterie al litio
Secondo le stime di mercato, l’adozione dell’Immersion Cooling nei sistemi di accumulo crescerà con un tasso annuo superiore al 22% fino al 2030. Sebbene alcuni ostacoli come il costo dei fluidi e la complessità dei sistemi debbano ancora essere affrontati, questa tecnologia rappresenta il futuro della gestione termica per le batterie EV.
In Archimede Energia, crediamo nell’integrazione dell’Immersion Cooling come standard progettuale per i futuri sistemi a litio: più sicuri, più longevi, più performanti.
L’Immersion Cooling rappresenta una vera e propria rivoluzione nel modo in cui gestiamo il calore nei sistemi a batteria. Con benefici che spaziano dalla sicurezza alla sostenibilità, questa tecnologia è destinata a diventare un punto di riferimento per tutti coloro che, come noi, progettano soluzioni avanzate per l’efficienza energetica.
Vuoi scoprire come applicare l’Immersion Cooling al tuo sistema a batterie al litio?
Contattaci: il nostro team tecnico è pronto a guidarti nella scelta della soluzione più adatta al tuo progetto.
