السلامة والاستقرار الحراري في أنظمة تخزين الطاقة الثابتة

درجة حرارة بدء الانفلات الحراري وسلوك الانتشار: ليثيوم حديد الفوسفات مقابل نيكل منغنيز كوبالت

عندما يتعلق الأمر بالاستقرار الحراري، فإن بطاريات فوسفات الليثيوم الحديدي (LFP) تتفوق مقارنةً بخيارات نيكل المنغنيز الكوبالت (NMC)، ما يجعلها أكثر أمانًا بكثير للاستخدام في أنظمة تخزين الطاقة الثابتة بالبطاريات (BESS). ويحدث الاندفاع الحراري عند درجة حرارة تبلغ حوالي ٢٧٠ درجة مئوية للبطاريات من نوع LFP، وهي درجة حرارة أعلى بكثير من النطاق الذي تتراوح فيه درجات الحرارة بين ١٥٠ و٢٠٠ درجة مئوية، حيث تبدأ بطاريات NMC في الفشل. ويعود هذا الفرق إلى الروابط الأقوى بين الفوسفات والأكسجين في بطاريات LFP، وإلى انبعاث كمية ضئيلة جدًّا من الأكسجين عند تحلُّلها. أما الفائدة العملية الواقعية فهي أن خلايا LFP تنتج غازات قابلة للاشتعال أقل بنسبة تقارب ٨٠٪ مقارنةً بالخلايا الأخرى، وتطلق الحرارة بمعدل لا يتجاوز ٥ درجات مئوية في الثانية عند حدوث عطل ما، وبالتالي لا تشتعل النيران بسهولة وتنتقل من خلية إلى أخرى. ومن ناحية أخرى، فإن بطاريات NMC تتميز بتفاعلات احتراق سريعة وتطلق غازات تتطلب طبقات حماية متعددة، تشمل على سبيل المثال لا الحصر أنظمة التبريد السائل، ومرافق التهوية الملائمة، بل وحتى آليات إخماد الحرائق، وذلك فقط لمنع التفاعلات المتسلسلة بعد ارتفاع درجة حرارة خلية واحدة.

الآثار على مستوى النظام: كيف تؤثر تعقيدات إدارة الحرارة على الموثوقية وتكاليف التشغيل (OPEX)

الاستقرار الحراري المدمج في بطاريات لثيوم حديد الفوسفات (LFP) يجعل من السهل بكثير التعامل مع مشكلات إدارة الحرارة، ويؤدي عمومًا إلى موثوقية أفضل على المدى الطويل. وتحتاج معظم أنظمة تركيب بطاريات نيكيل-منغنيز-كوبالت (NMC) إلى أنظمة تبريد سائلة معقدة بالإضافة إلى إجراءات أمان إضافية فقط لمنع حالات ارتفاع درجة الحرارة الخطرة. أما حلول تخزين الطاقة القائمة على بطاريات LFP فهي غالبًا ما تعمل بشكل جيد باستخدام طرق تبريد هوائي بسيطة أو حتى حلقات تبريد سائلة أساسية. وتتحول هذه الاختلافات إلى وفورات فعلية في التكاليف. والأرقام تروي القصة بوضوحٍ شديد: إذ تنتهي تكاليف التشغيل لأنظمة NMC إلى ما بين ٣٠٪ و٥٠٪ أكثر من غيرها بسبب استهلاكها الكبير للطاقة اللازمة للتبريد، واحتياج أجزائها إلى مراقبة مستمرة، واحتوائها على جميع ميزات السلامة الزائدة تلك. وتشير الاختبارات الواقعية إلى أن أنظمة LFP تسجل انقطاعات مفاجئة أقل بنسبة نحو ٢٠٪، وتستغرق فترات أطول بين عمليات الصيانة المطلوبة. وللمنشآت التي لا يُسمح فيها بحدوث أعطال في النظام، وأهمية توقع الميزانية كبيرة جدًّا، فإن هذه الخصائص الأداءية تجعل بطاريات LFP خيارات عملية بارزة، رغم ما قد يعتبره البعض قيودًا لها.

ملاحظة: لم تُدرَج أي روابط خارجية لأنّه لم تتوفر مصادر موثوقة (موثوقة=true) تفي بمعايير الصلة وفق القواعد العالمية.

دورة العمر والانحدار على المدى الطويل في أنظمة تخزين الطاقة في ظروف الاستخدام الفعلي

الانحدار أثناء التشغيل الدوري عند حالة شحن جزئية (مثل الاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية، أو التحكيم الشبكي)

عندما يتعلق الأمر بدورة الشحن الجزئي للبطاريات — وهي ظاهرة نراها باستمرار في أنظمة الطاقة الشمسية ووحدات تخزين الشبكة الكهربائية — فإن بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LFP) تتفوق بشكلٍ ملحوظ مقارنةً بالبدائل المبنية على نيكل-منغنيز-كوبالت (NMC). فمعظم هذه التطبيقات تستهلك الطاقة جزئيًّا فقط، وعادةً ما تبقى شحنتها ضمن النطاق من ٢٠٪ إلى ٨٠٪ طوال دورة التشغيل. وبذلك، يُطبَّق ضغطٌ ضئيلٌ جدًّا على هيكل الأوليفين المستقر الذي تتكوَّن منه الكاثودات في بطاريات LFP. ومن حيث الأداء الفعلي، فإن بطاريات LFP تميل إلى فقدان سعتها بمعدلٍ يعادل نصف المعدل الذي تفقده بطاريات NMC عند خضوعهما لظروف مماثلة من الشحن الجزئي (PSOC). ووفقًا لتقرير بلومبرغ إن إي إف (BloombergNEF) لعام ٢٠٢٣، تحتفظ بطارية LFP بأكثر من ٨٠٪ من سعتها الأصلية بعد اجتيازها ٤٠٠٠ دورة شحن عند عمق تفريغ نسبته ٥٠٪، بينما تصل معظم بطاريات NMC إلى نفس العلامة بعد نحو ٢٠٠٠ دورة فقط. وتزداد الأمور سوءًا بالنسبة لبطاريات NMC في الحالات التي تُشحن فيها وتفرغ بشكلٍ متكرر وبزيادات صغيرة. فهذا يؤدي مع مرور الوقت إلى تشقُّق هيكل الكاثود الأكسيدي الطبقي الخاص بها، لا سيما وأن منحنى جهدها أكثر انحدارًا، كما أنها تتفاعل بشكلٍ أقوى بكثير مع التغيرات في درجة حرارة البيئة المحيطة.

بيانات الأداء الميداني (2020–2024): متوسط العمر الافتراضي القابل للاستخدام لبطاريات LFP مقابل بطاريات NMC في أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية السكنية ونظم التخزين التجارية والصناعية (BESS)

تؤكد البيانات الواقعية المستخلصة من ١٢٠٠٠ تركيبًا (2020–2024) التفوّق في طول العمر الذي تتمتع به بطاريات LFP عبر جميع القطاعات التطبيقيّة:

*مُعرَّف بأنه عدد السنوات حتى انخفاض السعة إلى ٨٠٪ من قيمتها الأصلية

تصبح الفروقات بين أنظمة التخزين التجاري والصناعي (C&I) واضحةً جدًّا لأنها تمرّ بدورة شحن وتفريغ أكثر تكرارًا وتتعرَّض باستمرار لتقلُّبات في درجات الحرارة. وبما أن بطاريات نيكيل-منغنيز-كوبالت (NMC) تعتمد على الكوبالت، فإنها تبدأ في التحلُّل بشكل أسرع بمجرد ارتفاع درجة الحرارة عن ٢٥ درجة مئوية. وتُظهر الاختبارات الميدانية أن هذه البطاريات تفقد حوالي ٢,١٪ من سعتها سنويًّا، مقارنةً بـ ١,٢٪ فقط لبطاريات الليثيوم حديد الفوسفات (LFP) في الظروف المناخية العادية. وعند النظر إلى الأمور على مدى خمسة عشر عامًا، فهذا يعني فعليًّا استبدال بطاريات LFP بنسبة أقل بنسبة ٤٠٪ مقارنةً ببطاريات NMC، ما يقلِّل من التكاليف المالية المرتبطة بشراء بطاريات جديدة، وكذلك الوقت الضائع الناتج عن عمليات الصيانة المطلوبة للأنظمة. علاوةً على ذلك، تتمتَّع بطاريات LFP بقدرة أفضل على التحمُّل في ظروف ارتفاع الحرارة، وبالتالي تدوم لفترة أطول في المساحات الضيِّقة التي يصعب أو يكون من غير المجدي اقتصاديًّا فيها تركيب أنظمة تبريد مناسبة.

إجمالي تكلفة الملكية: التكلفة الرأسمالية، تكلفة الطاقة المُنتَجة (LCOE)، والاقتصاديات المرتبطة بالمواد

بطاريات NMC المعتمدة على الكوبالت مقابل بطاريات LFP الغنية بفوسفات الحديد: تكلفة المواد الخام ومرونة سلسلة التوريد

تواجه سلاسل التوريد الخاصة ببطاريات NMC بعض المشكلات الجسيمة من حيث الاستقرار، ويرجع ذلك أساسًا إلى تقلبات أسعار الكوبالت غير المتوقعة ومصدر معظم الكوبالت العالمي من الناحية الجغرافية-السياسية. فلننظر في ما حدث لأسعار الكوبالت: فقد ارتفعت بشكل كبير جدًّا، مُسجِّلة قفزة تجاوزت ثلاثمائة في المئة بين عامَي ٢٠٢٠ و٢٠٢٤ وفقًا لبيانات «برنشمارك مينرال إنتليجنس» (Benchmark Mineral Intelligence) الصادرة العام الماضي. وهذه التقلبات الحادة جدًّا تجعل من الصعب جدًّا على الشركات المصنِّعة تخطيط ميزانياتها بشكلٍ سليم. أما تقنية LFP فهي تتفادى هذه المشكلات تمامًا، لأنها تعتمد على الحديد والفوسفات بدلًا من الكوبالت. وهذان المادتان أسهل بكثير في التوفُّر عبر مختلف أنحاء العالم، كما أن هناك بالفعل بنيةً تحتيةً راسخةً لاستخراجهما لا تثير العديد من المخاوف الأخلاقية. والخلاصة هي أن الشركات يمكنها توفير نحو ثلاثين في المئة من تكاليف المواد الخام، مع تجنُّب تلك الأسئلة الأخلاقية المعقَّدة المرتبطة بعمليات استخراج الكوبالت على نطاق صغير. وقد أفاد تقرير شركة «وود ماكنزي» (Wood Mackenzie) الصادر عام ٢٠٢٣ بأن سلاسل توريد LFP تتعرَّض لمخاطر تتعلَّق بعدم الاستقرار السياسي أقل بنسبة تقارب أربعين في المئة مقارنةً بسلاسل توريد NMC. وهذه الهشاشة الأقل تمنح المستثمرين درجةً أكبر من الطمأنينة بشأن آفاق التمويل طويلة الأجل، وتضمن توافر المكونات فعليًّا عند الحاجة إليها.

مقارنة التكلفة الموحّدة للكهرباء (LCOE) عبر عمر النظام الممتد عشر سنوات

تتميز بطاريات LFP عادةً بانخفاض التكلفة الموحّدة للكهرباء (LCOE)، وهي مقياسٌ يُظهر تكلفة إنتاج كل كيلوواط ساعة على مر الزمن، حتى وإن كانت أسعارها الأولية أعلى قليلًا. صحيحٌ أن بطاريات NMC أرخص في البداية بنسبة تتراوح بين ١٥ و٢٠ في المئة. لكن عند التعمق في التحليل، نجد أن بطاريات LFP تدوم فترة أطول، حيث تصل دورة تشغيلها إلى نحو ٦٠٠٠ دورة مقارنةً بحوالي ٤٠٠٠ دورة لبطاريات NMC. علاوةً على ذلك، فإن معدل تدهور بطاريات LFP أبطأ أثناء التشغيل عند حالات شحن جزئية، ولا تحتاج إلى إدارة حرارية مكثفة. ووفقًا لأبحاث أجرتها مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) ونُشرت العام الماضي، فإن بطاريات LFP تحقّق فعليًّا تحسّنًا في مؤشرات التكلفة الموحّدة للكهرباء (LCOE) بنسبة تتراوح بين ١٠ و١٥ في المئة بعد مرور عشر سنوات عند استخدامها في أنظمة تخزين الطاقة على نطاق شبكي واسع. ومن الناحية العملية، يمكن للشركات التي تُركّب أنظمة تخزين طاقة بالبطاريات أن توفر ما بين ١٢٠ ألف دولار و١٨٠ ألف دولار لكل ميغاواط ساعة مركّبة، وذلك بسبب تقليل عدد مرات استبدال الأنظمة وانخفاض النفقات المرتبطة باشتراطات التبريد.

مقايضات كثافة الطاقة، والمساحة السطحية، وتسليم القدرة

تأثير الكثافتين الحجمية والكتلية على التثبيتات التجارية المقيَّدة بالمساحة

عندما يتعلق الأمر بأنظمة تخزين الطاقة البطارية التجارية، فإن كمية الطاقة المُخزَّنة لكل لتر تُعد عاملًا حاسمًا في تحديد ما إذا كان النظام قابلاً للتنفيذ فعليًّا أم لا. وهذا ينطبق بشكل خاص على المدن، حيث تُقدَّر كل قدم مربعة من المساحة في أماكن مثل مراكز التسوق أو المرافق الضخمة للمستودعات. فعلى سبيل المثال، قارن بين بطاريات NMC وبطاريات LFP: فتصدّر بطاريات NMC طاقةً تفوق بنسبة تتراوح بين ٣٠٪ و٥٠٪ في نفس الحجم مقارنةً ببطاريات LFP. ونقصد بذلك ما يقارب ٣٥٠–٥٠٠ واط·ساعة/لتر مقابل ٢٠٠–٣٠٠ واط·ساعة/لتر فقط لبطاريات LFP. وهذا يُحدث فرقًا كبيرًا عند محاولة تركيب النظام بأكمله ضمن مساحات ضيِّقة. أما الكثافة الكتلية — التي تقيس كمية الطاقة لكل كيلوجرام — فهي تؤثر فعلاً في مدى الدعم الإنشائي المطلوب. لكن بصراحة، لا يُعنِي الوزن كثيرًا معظم الأشخاص عند تركيب هذه الأنظمة، لأنها عادةً ما تكون ثابتة في مكانها أصلاً.

عندما يتعلق الأمر بإضافة ألواح شمسية على أسطح المباني القائمة أو تنفيذ عمليات التحديث (Retrofits) في مواقع لا تتوفر فيها مساحة إضافية للعمل، فإن بطاريات النيكل-منغنيز-كوبالت (NMC) غالبًا ما تكون أكثر منطقية مقارنةً ببطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LFP)، رغم ارتفاع تكلفة امتلاكها الإجمالية. ووفقًا لبحث نُشر العام الماضي حول أنظمة الشبكة الكهربائية، فإن تركيب بطاريات LFP يتطلب مساحةً تتراوح بين ٢٥٪ ونحو ٤٠٪ إضافية لنفس كمية الطاقة المخزَّنة. وهذا يُترجم إلى زيادة في تكاليف التركيب تتراوح بين خمسة عشر وثلاثين دولارًا أمريكيًّا لكل كيلوواط ساعة، لأن جميع العناصر الأخرى تزداد تكلفتها عند توزيعها على مساحات أكبر. ومع ذلك، لا يزال من الجدير بالذكر أن خيارات ليثيوم حديد الفوسفات (LFP) تظل منافسين أقوياء جدًّا في المصانع والمشاريع الجديدة، حيث تتوافر مساحات واسعة من الأراضي المفتوحة مما يجعل الحجم عاملًا أقل أهمية. وعلى مدى سنوات التشغيل، تمنح مزايا السلامة المتفوِّقة لهذه البطاريات بالإضافة إلى عمرها الافتراضي الأطول وتكاليف الصيانة التشغيلية الأقل لها قيمة فعلية متزايدة باستمرار.

الأسئلة الشائعة

ما هي الاختلافات الرئيسية في الاستقرار الحراري بين بطاريات LFP وNMC؟

تتمتع بطاريات LFP بدرجة حرارة أعلى لحدوث الانفلات الحراري، تصل إلى حوالي ٢٧٠ درجة مئوية، مقارنةً بـ ١٥٠–٢٠٠ درجة مئوية لبطاريات NMC. وتُنتج خلايا LFP غازات قابلة للاشتعال أقل بنسبة ٨٠٪ تقريبًا، وتطلق الحرارة بمعدل أبطأ، ما يجعلها أكثر أمانًا في أنظمة التخزين الثابتة للطاقة الكهربائية (BESS).

كيف تؤثر بطاريات LFP على إجمالي المصروفات التشغيلية (OPEX)؟

وبفضل استقرارها الحراري المتفوق، تتطلب بطاريات LFP أنظمة تبريد وأجهزة حماية أقل تعقيدًا. وينتج عن ذلك انخفاض في المصروفات التشغيلية بنسبة ٣٠–٥٠٪ مقارنةً بأنظمة NMC.

كيف يختلف عمر دورة شحن بطاريات LFP عن عمر دورة شحن بطاريات NMC في سيناريوهات الشحن الجزئي (PSOC)؟

تنخفض سعة بطاريات LFP بمعدل يعادل نصف المعدل الذي تنخفض به سعة بطاريات NMC عند الخضوع لظروف الشحن الجزئي (PSOC)، حيث تحتفظ بسعة تزيد على ٨٠٪ بعد ٤٠٠٠ دورة شحن، مقارنةً بـ ٢٠٠٠ دورة لبطاريات NMC في ظروف مماثلة.

ما الأثر الناجم عن تكلفة المواد الخام على سلاسل التوريد الخاصة ببطاريات LFP مقارنةً ببطاريات NMC؟

تستخدم بطاريات الليثيوم حديد الفوسفات (LFP) الحديد والفوسفات اللذين يتوفران بوفرة، ما يجنب المشكلات الأخلاقية والاقتصادية المرتبطة باستخدام الكوبالت في بطاريات الليثيوم نيكل المنغنيز الكوبالت (NMC). ويؤدي ذلك إلى خفض تكاليف المواد الخام لبطاريات LFP بنسبة 30%.

أي نوع من البطاريات هو الأفضل للتركيبات المقيَّدة من حيث المساحة؟

وبالنسبة للمواقع المقيَّدة من حيث المساحة، تكون بطاريات NMC هي الخيار الأفضل نظراً لكثافتها الحجمية والكتلية العالية، على الرغم من ارتفاع تكلفة امتلاكها الإجمالية.