Bezpečnost a tepelná stabilita stacionárních systémů BESS

Teplota vzniku tepelného rozbehu a chování šíření tepelného rozbehu: LFP vs NMC

Pokud jde o tepelnou stabilitu, lithiové železné fosfátové (LFP) baterie vynikají ve srovnání s bateriemi na bázi niklu, manganu a kobaltu (NMC), což je činí mnohem bezpečnějšími pro použití v pevných systémech akumulace elektrické energie (BESS). Tepelný rozbeh u LFP baterií nastává přibližně při 270 °C, což je výrazně vyšší teplota než rozmezí 150–200 °C, ve kterém začínají baterie NMC selhávat. Tento rozdíl je způsoben silnějšími vazbami mezi fosforem a kyslíkem v LFP a minimálním uvolňováním kyslíku při jejich rozkladu. Skutečný praktický přínos? LFP články produkují přibližně o 80 % méně hořlavých plynů než jejich protějšky a při poruše uvolňují teplo rychlostí 5 °C za sekundu nebo pomaleji, takže se požáry snadno nepřenášejí z jednoho článku na druhý. Na druhé straně mají baterie NMC rychle probíhající hořlavé reakce a uvolňují plyny, které vyžadují víceúrovňovou ochranu, včetně například kapalných chladicích systémů, vhodných systémů ventilace a dokonce i mechanismů potlačení požárů, aby se zabránilo řetězovým reakcím po přehřátí jediného článku.

Důsledky na úrovni systému: Jak složitost tepelného řízení ovlivňuje spolehlivost a provozní náklady

Tepelná stabilita zabudovaná do LFP činí řešení problémů s řízením tepla mnohem jednodušší a obecně vede k lepší spolehlivosti v průběhu času. Většina instalací NMC vyžaduje složité kapalné chladicí systémy spolu s dodatečnými bezpečnostními opatřeními pouze proto, aby se předešlo nebezpečnému přehřátí. Naproti tomu úložné řešení baterií na bázi LFP často funguje dobře i s jednoduchými metodami chlazení vzduchem nebo dokonce s základními kapalnými chladicími okruhy. Tyto rozdíly se promítají do reálných úspor nákladů. Čísla jasně ukazují, že provozní náklady na systémy NMC jsou o 30 až 50 procent vyšší, neboť tyto systémy spotřebují velké množství chladicí energie, mají součásti vyžadující neustálou údržbu a obsahují všechny tyto redundantní bezpečnostní prvky. Reálné provozní testy ukazují, že zařízení na bázi LFP vykazují přibližně o 20 procent méně neočekávaných výpadků a vyžadují údržbu méně často. Pro zařízení, kde selhání systému není možné a kde je důležitá přesná rozpočtová prognóza, tyto výkonné vlastnosti činí baterie LFP praktickou volbou, a to navzdory jejich některým omezením, která někteří považují za podstatná.

Poznámka: Externí odkazy nebyly zahrnuty, protože žádné autoritativní zdroje (autoritativní=true) nesplnily kritéria relevance podle globálních pravidel.

Životnost cyklu a dlouhodobé stárnutí v reálných systémech akumulace energie

Stárnutí při cyklování v částečném stavu nabití (např. vlastní spotřeba solární energie, obchodování s energií na síti)

Pokud jde o cyklování při částečném stavu nabití – což je jev, který pozorujeme neustále v solárních elektrárnách a systémech akumulace energie do sítě – baterie lithno-železo-fosfátové (LFP) opravdu vynikají ve srovnání s alternativami na bázi niklu-manganu-kobaltu (NMC). Většina těchto aplikací odebírá energii pouze částečně, obvykle zůstává během celého provozního cyklu nabita mezi 20 % a 80 %. Tento druh provozu klade velmi malou zátěž na stabilní olivínovou strukturu, která tvoří katody LFP baterií. Pokud se podíváme na skutečné výkonnostní údaje, LFP baterie ztrácejí kapacitu přibližně poloviční rychlostí než baterie NMC za podobných podmínek částečného stavu nabití (PSOC). Podle zprávy BloombergNEF z roku 2023 bude mít LFP baterie po 4 000 cyklech nabíjení a vybíjení při hloubce vybití 50 % stále více než 80 % své původní kapacity, zatímco většina baterií NMC dosáhne stejného ukazatele již po přibližně 2 000 cyklech. Situace se pro baterie NMC ještě zhoršuje v případech, kdy jsou neustále nabíjeny a vybíjeny malými přírůstky. Jejich vrstvená oxidová katodová struktura se v průběhu času má sklon praskat, zejména proto, že mají strmější napěťovou charakteristiku a reagují mnohem citlivěji na změny okolní teploty.

Údaje o provozním výkonu (2020–2024): Medián použitelné životnosti LFP vs. NMC v domácnostech a průmyslových a komerčních BESS

Skutečné údaje z 12 000 instalací (2020–2024) potvrzují výhodu LFP v oblasti životnosti napříč všemi aplikačními segmenty:

*Definováno jako počet let do klesnutí kapacity na 80 % původní hodnoty

Rozdíly mezi systémy pro komerční a průmyslové účely (C&I) se stávají opravdu patrné, protože tyto systémy jsou častěji nabíjeny a vybíjeny a neustále jsou vystaveny kolísajícím teplotám. U baterií typu NMC závislost na kobaltu znamená, že se začínají rychleji degradovat, jakmile teplota překročí 25 °C. Reálné testování ukazuje, že tyto baterie každý rok ztrácejí přibližně 2,1 % své kapacity, zatímco u baterií typu LFP je tato ztráta v normálních klimatických podmínkách pouze 1,2 %. Pokud se podíváme na období patnácti let, znamená to ve skutečnosti, že baterie typu LFP je třeba vyměňovat o 40 % méně často než baterie typu NMC, čímž se snižují jak náklady na nové baterie, tak ztráta času spojená s údržbou systémů. Navíc baterie typu LFP lépe odolávají vysokým teplotám, a proto mají delší životnost v omezených prostorách, kde je buď nemožné, nebo příliš nákladné instalovat vhodné chladicí systémy.

Celkové náklady na vlastnictví: počáteční náklady, cena elektřiny z celoživotního cyklu (LCOE) a ekonomika materiálů

NMC závislé na kobaltu vs. LFP bohaté na železný fosfát: náklady na suroviny a odolnost dodavatelského řetězce

Dodavatelské řetězce pro baterie typu NMC mají z hlediska stability některé vážné problémy, především kvůli nevyzpytatelnosti cen kobaltu a politickému původu většiny světového kobaltu. Podívejte se například na vývoj cen kobaltu – podle údajů společnosti Benchmark Mineral Intelligence z minulého roku se tyto ceny v letech 2020 až 2024 značně kolísaly a vzrostly o více než tři sta procent. Takové extrémní kolísání ztěžuje výrobcům správné plánování rozpočtů. Na druhou stranu technologie LFP tyto problémy úplně obejde, protože místo kobaltu využívá železo a fosfát. Tyto suroviny jsou po celém světě mnohem snadněji dostupné a již existuje dobře zavedená těžební infrastruktura, která nevyvolává příliš mnoho etických výhrůžek. Jaký je konečný výsledek? Firmy mohou u surovin ušetřit přibližně třicet procent nákladů a současně se vyhnout složitým etickým otázkám spojeným s malými těžebními provozy kobaltu. Podle zprávy společnosti Wood Mackenzie z roku 2023 jsou dodavatelské řetězce LFP o přibližně čtyřicet procent méně ohroženy rizikem politické nestability ve srovnání s řetězci NMC. Tato snížená zranitelnost poskytuje investorům větší jistotu ohledně dlouhodobých možností financování a zároveň zajišťuje, že potřebné komponenty budou skutečně k dispozici v příslušný čas.

Porovnání vyrovnaných nákladů na elektřinu (LCOE) po dobu desetileté životnosti systému

Baterie typu LFP mají obvykle nižší vyrovnané náklady na elektřinu (LCOE), které udávají, kolik stojí výroba každého kilowatthodiny v průběhu času, i když jejich počáteční cena je o něco vyšší. Ano, baterie typu NMC jsou počátečně levnější asi o 15 až 20 procent. Pokud se však podíváme podrobněji, baterie LFP vydrží déle – přibližně 6 000 cyklů proti zhruba 4 000 cyklům u baterií NMC. Navíc se baterie LFP pomaleji degradují při provozu při částečném stavu nabití a vyžadují méně intenzivní tepelné řízení. Podle výzkumu NREL publikovaného minulý rok dosahují baterie LFP po deseti letech použití pro velké systémy akumulace energie v síti skutečně o 10 až 15 procent lepších hodnot LCOE. V praxi to znamená, že podniky, které instalují systémy akumulace elektrické energie, mohou ušetřit mezi 120 000 a 180 000 dolarů na megawatthodinu nainstalované kapacity, protože nahrazují své systémy méně často a utrácejí méně za požadavky na chlazení.

Kompromisy mezi energetickou hustotou, plošným zabráním a dodávkou výkonu

Dopad objemové a hmotnostní hustoty na komerční instalace s omezeným prostorem

U komerčních systémů akumulace elektrické energie v bateriích je rozhodující množství energie uložené v každém litru – to určuje, zda je dané řešení vůbec technicky proveditelné. To platí zejména ve městech, kde každý čtvereční metr počítá – například v nákupních centrech nebo velkých skladových zařízeních. Porovnejme si baterie typu NMC a LFP. Baterie NMC ukládají ve stejném objemu o 30 až 50 procent více energie. Jedná se přibližně o 350 až 500 Wh/l, zatímco u baterií LFP je to jen 200 až 300 Wh/l. To má obrovský význam při umísťování těchto systémů do omezeného prostoru. Hmotnostní hustota, která udává množství energie na kilogram, ovlivňuje i to, jaký stupeň konstrukční podpory bude potřebný. Ve skutečnosti se však většina uživatelů příliš nestará o hmotnost při instalaci těchto systémů, protože jsou obvykle pevně umístěny na jednom místě.

Pokud jde o instalaci solárních panelů na stávající budovy nebo rekonstrukce, u nichž prostě není k dispozici žádný dodatečný pracovní prostor, mají baterie typu NMC často větší smysl než baterie typu LFP, a to i přes vyšší celkové náklady na vlastnictví. Podle výzkumu zveřejněného minulý rok týkajícího se rozvodných soustav vyžaduje nasazení baterií LFP pro stejnou kapacitu ukládání energie o 25 až téměř 40 procent více prostoru. To se promítá do dodatečných nákladů na instalaci ve výši přibližně 15 až 30 dolarů za kilowatthodinu, protože všechny ostatní položky se při rozprostření na větší plochu stávají dražšími. Stále je však třeba poznamenat, že lithno-železo-fosfátové baterie zůstávají velmi silnými kandidáty pro továrny a nové stavební projekty, kde dostatek volného pozemku činí jejich rozměry méně podstatnou záležitostí. Během let provozu poskytují tyto bezpečnostní vlastnosti spolu s delší životností a nižšími průběžnými náklady na údržbu bateriím LFP skutečně hodnotné výhody, které se postupně akumulují.

Často kladené otázky

Jaké jsou hlavní rozdíly v tepelné stabilitě mezi bateriemi LFP a NMC?

LFP baterie mají vyšší teplotu tepelného rozvratu, přibližně 270 °C, oproti 150–200 °C u baterií NMC. LFP články produkují přibližně o 80 % méně hořlavého plynu a uvolňují teplo pomalejší rychlostí, což je činí bezpečnějšími v nepohyblivých systémech akumulace energie (BESS).

Jaký dopad mají LFP baterie na celkové provozní náklady (OPEX)?

Díky své vyšší tepelné stabilitě vyžadují LFP baterie méně složité chladicí systémy a bezpečnostní opatření. To vede k 30–50% nižším provozním nákladům ve srovnání se systémy NMC.

Jak se životnost LFP baterií v režimu částečného nabití (PSOC) porovnává s životností baterií NMC?

Při podmínkách částečného nabití (PSOC) LFP baterie ztrácejí kapacitu přibližně poloviční rychlostí než baterie NMC a po 4 000 cyklech si udržují více než 80 % kapacity, zatímco baterie NMC dosahují stejné úrovně (80 % kapacity) až po 2 000 cyklech za podobných podmínek.

Jaký je dopad nákladů na suroviny na dodavatelské řetězce LFP a NMC?

LFP baterie využívají hojně dostupného železa a fosfátu, čímž se vyhýbají etickým a ekonomickým problémům spojeným s použitím kobaltu v bateriích NMC. To má za následek snížení nákladů na suroviny pro LFP baterie o 30 %.

Který typ baterie je vhodnější pro instalace s omezeným prostorem?

Pro místa s omezeným prostorem jsou vhodnější baterie NMC díky vyšší objemové a hmotnostní hustotě, přestože jejich celkové náklady na vlastnictví jsou vyšší.