Безопасност и термична стабилност в стационарни BESS

Температура на започване на термичен разпад и поведение при разпространение: LFP срещу NMC

Когато става дума за термична стабилност, литиево-желязно-фосфатните (LFP) батерии се отличават в сравнение с никел-манган-кобалтовите (NMC) опции, което ги прави значително по-безопасни за използване в стационарни системи за съхранение на електроенергия чрез батерии (BESS). Термичното разпадане настъпва при около 270 °C за LFP батериите, което е значително по-високо от диапазона 150–200 °C, при който NMC батериите започват да излизат от строя. Тази разлика се дължи на по-силните фосфат-кислородни връзки в LFP и на минималното отделяне на кислород при тяхното разлагане. Практическата предимство? LFP клетките произвеждат около 80 % по-малко запалими газове в сравнение с техните аналогове и отделят топлина с темп от 5 °C/секунда или по-малко при аварийни ситуации, поради което пожарите не се разпространяват лесно от една клетка към друга. От друга страна, NMC батериите имат бързо протичащи горивни реакции и отделят газове, които изискват многослойна защита, включваща например течни охладителни системи, подходящи вентилационни решения и дори механизми за потушаване на пожари, за да се предотвратят верижни реакции след прегряване на една единствена клетка.

Системни последици: Как сложността на термичното управление влияе върху надеждността и експлоатационните разходи

Термичната стабилност, вградена в LFP, прави управлението на топлината значително по-лесно и като цяло води до по-добра надеждност с течение на времето. Повечето инсталации с NMC изискват сложни течни системи за охлаждане заедно с допълнителни мерки за безопасност само за предотвратяване на опасни ситуации на прегряване. Но решенията за съхранение на енергия в батерии, базирани на LFP, често работят отлично с прости методи за въздушно охлаждане или дори с основни течни охладителни контури. Тези разлики се превръщат в реална икономия. Цифрите ясно разказват историята — системите с NMC в крайна сметка струват с 30 до 50 процента повече в експлоатационни разходи, тъй като потребяват значителна мощност за охлаждане, имат компоненти, които изискват постоянен надзор, и включват всички тези резервни функции за безопасност. Реалното тестване показва, че установките с LFP обикновено имат около 20 процента по-малко неочаквани спирания и по-дълго време между задължителните проверки и поддръжка. За обекти, където отказите на системата не са допустими и прогнозирането на бюджета има голямо значение, тези експлоатационни характеристики правят батериите LFP изключително практични решения, въпреки това, което някои може да считат за техни ограничения.

Забележка: Външни връзки не са включени, тъй като нито един авторитетен източник (authoritative=true) не отговаря на критериите за релевантност според глобалните правила.

Циклов живот и дългосрочна деградация при реално използване на системи за съхранение на енергия

Деградация при циклиране при частичен заряд (напр. самостоятелно потребление на слънчева енергия, арбитраж в електрическата мрежа)

Когато става дума за циклиране при частичен заряд – нещо, което срещаме постоянно в слънчеви енергийни системи и инсталации за съхранение на енергия в мрежата – литиево-железо-фосфатните (LFP) батерии наистина се отличават в сравнение с алтернативите на базата на никел-манган-кобалт (NMC). Повечето от тези приложения извличат енергия само частично, обикновено оставайки в диапазона от 20 % до 80 % зареденост през целия си работен цикъл. Такъв режим на използване оказва изключително малко напрежение върху стабилната оливинова структура, която формира катодите на LFP батериите. Според реалните показатели за производителност LFP батериите губят капацитет приблизително два пъти по-бавно от NMC батериите при аналогични условия на частичен заряд (PSOC). Според доклада на BloombergNEF от 2023 г. LFP батерия ще запази над 80 % от първоначалния си капацитет след 4000 цикъла на зареждане при дълбочина на разреждане 50 %, докато повечето NMC батерии достигат същия показател едва след около 2000 цикъла. Положението става още по-лошо за NMC батериите в ситуации, при които те се зареждат и разреждат непрекъснато на малки интервали. Слоистата им оксидна катодна структура с времето има тенденция да се пука, особено поради по-стръмната им волт-амперна характеристика и по-силната им реакция на промени в температурата на околния въздух.

Данни за експлоатационната ефективност на полето (2020–2024 г.): Медианен използваем живот на LFP спрямо NMC в битови и търговски & индустриални (C&I) BESS

Реални данни от 12 000 инсталации (2020–2024 г.) потвърждават предимството на LFP по отношение на продължителност на експлоатацията във всички приложни сегменти:

*Определя се като години до запазване на 80 % от капацитета

Разликите между системите за търговски и индустриални (C&I) нужди стават наистина забележими, тъй като те циклират по-често и са изложени на постоянно променящи се температури. За батериите от тип NMC зависимостта им от кобалт означава, че те започват по-бързо да се деградират, веднага щом температурата надхвърли 25 °C. Реалното тестване показва, че тези батерии губят около 2,1 % от капацитета си всяка година, спрямо само 1,2 % за батериите от тип LFP при нормални климатични условия. При разглеждане на периода от петнадесет години това всъщност означава, че батериите LFP се заменят с 40 % по-рядко в сравнение с батериите NMC, което намалява както разходите за нови батерии, така и загубеното време при поддръжка на системите. Освен това батериите LFP по-добре понасят топлината, поради което имат по-дълъг срок на служба в стеснени пространства, където или е невъзможно, или твърде скъпо да се инсталират подходящи системи за охлаждане.

Обща стойност на собствеността: Капитални разходи, LCOE и икономика на материали

NMC, зависими от кобалт, срещу LFP, богати на желязо-фосфат: Стойност на суровините и устойчивост на веригата за доставки

Доставните вериги за батерии от тип NMC имат някои сериозни проблеми със стабилността си, предимно поради непредсказуемостта на цените на кобалта и политическото разположение на основните световни производители на кобалт. Вземете например как се развиха цените на кобалта – те се покачиха драстично, с повече от триста процента между 2020 и 2024 г., според данните на Benchmark Mineral Intelligence от миналата година. Такива рязки колебания затрудняват значително производителите при планирането на своите бюджети. От друга страна, технологията LFP избягва напълно тези проблеми, тъй като използва желязо и фосфат. Тези материали са много по-леснодостъпни в различни части на света, а съществува и добре установена минна инфраструктура за тях, която не повдига толкова много етични въпроси. Основният извод? Компаниите могат да спестят около тридесет процента от разходите си за суровини, като същевременно избягнат сложните етични въпроси, свързани с малкото по мащаб кобалтови минни операции. Според доклад на Wood Mackenzie от 2023 г. доставните вериги за LFP са изложени на приблизително четиридесет процента по-малък риск от политическа нестабилност в сравнение с тези за NMC. Това намалено уязвимо положение осигурява по-голямо спокойствие на инвеститорите относно перспективите за дългосрочно финансиране и гарантира, че компонентите ще бъдат наистина налични, когато са необходими.

Сравнение на усреднената стойност на електроенергията (LCOE) за период от 10-годишен живот на системата

Литий-желязо-фосфатните (LFP) батерии обикновено имат по-ниска усреднена стойност на електроенергията (LCOE), която измерва разходите за производство на всеки киловатчас с течение на времето, въпреки че първоначално струват малко повече. Разбира се, никел-манган-кобалтовите (NMC) батерии са по-евтини при първоначалната покупка с около 15–20 процента. Но при по-задълбочен анализ LFP батериите имат по-дълъг срок на служба — около 6000 цикъла спрямо приблизително 4000 цикъла за NMC. Освен това LFP батериите се деградират по-бавно при работа в частичен режим на зареждане и не изискват толкова интензивно термично управление. Според проучване на Националната лаборатория по възобновяема енергия (NREL), публикувано миналата година, при използване за големи мрежови системи за съхранение на енергия LFP батериите водят до подобрение на показателите за LCOE с 10–15 процента след десет години. На практика предприятията, които инсталират системи за съхранение на енергия в батерии, могат да спестят между 120 000 и 180 000 щатски долара на мегаватчас инсталирана мощност, тъй като заменят своите системи по-рядко и понесат по-ниски разходи за охлаждане.

Компромиси между енергийна плътност, заемана площ и подавана мощност

Влияние на обемната и масовата плътност върху търговските инсталации с ограничено пространство

Когато става дума за търговски системи за съхранение на енергия в батерии, количеството енергия, събрано на литър, наистина има значение за това дали дадено решение е практически осъществимо. Това е особено важно в градовете, където всеки квадратен фут има значение — например в търговски центрове или големи складови съоръжения. Сравнете батериите NMC с тези на базата на LFP. Типът NMC съдържа с 30 до 50 процента повече енергия в същия обем. Става дума приблизително за 350–500 Wh/L в сравнение със само 200–300 Wh/L за LFP. Това прави огромна разлика, когато трябва да се побере цялата система в тесни пространства. Масовата плътност, която измерва енергията на килограм, наистина влияе върху необходимата конструктивна поддръжка. Но, честно казано, повечето хора не се безпокоят кой знае колко от теглото при инсталирането на такива системи, тъй като те обикновено са фиксирани на място.

Когато става въпрос за монтиране на слънчеви панели върху съществуващи сгради или за модернизация на сгради, където просто няма допълнително място за работа, батериите с химически състав NMC често са по-рационален избор от батериите LFP, въпреки по-високата им обща стойност на собственост. Според проучване, публикувано миналата година относно електрическите мрежи, за разполагане на батерии LFP е необходимо от 25 до почти 40 процента повече място за същото количество съхранена енергия. Това се отразява в допълнителни разходи за инсталация от приблизително 15 до 30 долара на киловатчас, тъй като всички останали компоненти стават по-скъпи, когато се разпространяват върху по-големи площи. Въпреки това е важно да се отбележи, че литиево-железо-фосфатните (LFP) решения продължават да са много силни конкуренти за фабрики и нови застройки, където наличието на значителна площ от свободна земя прави размера по-малко съществен фактор. През годините на експлоатация тези предимства в областта на безопасността, по-дългият срок на служба и по-ниските текущи разходи за поддръжка предоставят на батериите LFP реални ценности, които непрекъснато се натрупват.

ЧЗВ

Какви са основните разлики в термичната стабилност между батериите LFP и NMC?

Литий-железо-фосфатните (LFP) батерии имат по-висока температура на термична разтоварваност — около 270 °C, спрямо 150–200 °C за NMC батерии. LFP елементите произвеждат около 80 % по-малко запалими газове и отделят топлина с по-бавен темп, което ги прави по-безопасни в стационарни системи за съхранение на електрическа енергия (BESS).

Какво влияние оказват LFP батериите върху общите операционни разходи (OPEX)?

Благодарение на по-добрата си термична стабилност LFP батериите изискват по-прости системи за охлаждане и по-малко сложни мерки за безопасност. Това води до намаляване на операционните разходи с 30–50 % спрямо NMC системите.

Как се сравнява цикловият живот на LFP батериите с този на NMC при условия на частично зареждане (PSOC)?

При условия на частично зареждане (PSOC) LFP батериите губят капацитет с около два пъти по-бавен темп в сравнение с NMC, като запазват над 80 % от своя капацитет след 4000 цикъла, докато при аналогични условия NMC батериите запазват същия процент капацитет само след 2000 цикъла.

Какъв е ефектът от разликата в разходите за суровини върху веригите за доставки на LFP и NMC?

Батериите LFP използват изобилното желязо и фосфат, избягвайки етичните и икономически проблеми, свързани с кобалта, използван в батериите NMC. Това води до намаляване на разходите за суровини за LFP с 30%.

Кой тип батерии е по-подходящ за инсталации с ограничено пространство?

За обекти с ограничено пространство батериите NMC са предпочитани поради по-високата им обемна и масова плътност, въпреки по-високата им обща стойност на собственост.