Ohutus ja soojuslik stabiilsus staatilistes energiatalletussüsteemides (BESS)

Soopõhjustatud katkestuse alguse temperatuur ja levimise käitumine: LFP vs NMC

Kui tegemist on soojusliku stabiilsusega, siis eristuvad liitium-raud-fosfaadi (LFP) akud nikkel-mangaan-kobalti (NMC) akudest, mistõttu on nad palju ohutumad paigaldatavate akuenergiasalvestussüsteemide (BESS) jaoks. Soojuslik katkemine toimub LFP akudes umbes 270 °C juures, mis on palju kõrgem kui NMC akude lagunemise alustav temperatuurivahemik 150–200 °C. See erinevus tuleneb LFP-s tugevamatest fosfaat-vesiniku sidemetest ning väga väikesest hapniku vabanemisest nende lagunemisel. Praktiline eelis? LFP rakud teevad ligikaudu 80 % vähem põlevaid gaase kui nende analoogid ja vabastavad soojust kiirusega 5 °C sekundis või aeglasemalt, kui tekib probleem, mistõttu ei levi tulekahjud ühest rakust teisele lihtsalt. Teiselt poolt aga põlevad NMC akud kiiresti ja eraldavad gaase, mille tõttu on vajalikud mitmekordne kaitse, sealhulgas vedelnikujahutussüsteemid, sobiv ventilatsiooniseade ja isegi tulekustutusmehhanismid, et takistada ahelreaktsiooni, kui üksainus rakk ülekuumeneks.

Süsteemitaseme tagajärjed: kuidas soojusjuhtimise keerukus mõjutab usaldusväärsust ja tegevuskulusid

LFP-sse ehitatud soojusstabiilsus muudab soojuse juhtimisega seotud probleemide lahendamise palju lihtsamaks ja viib üldiselt aeglasema usaldusväärsuse languse. Enamik NMC paigaldusi vajab ohtliku ülekuumenemise ennetamiseks keerukaid vedeliku jahutussüsteeme koos täiendavate turvalisusmeetmetega. LFP-põhiste akuhoidlate puhul piisab sageli lihtsatest õhujahutusmeetoditest või isegi lihtsamatest vedeliku jahutusringidest. Need erinevused tähendavad tegelikke raha säästu. Arvud räägivad ise enda eest – NMC süsteemid lõppevad toimimiskuludega, mis on 30–50 protsenti kõrgemad, kuna nad tarbivad palju jahutusvõimsust, nende osad vajavad pidevat tähelepanu ning neisse on kaasatud kõik need üleliialised turvalisusfunktsioonid. Reaalmaailmas toimunud testid näitavad, et LFP süsteemidel esineb umbes 20 protsenti vähem ootamatuid seiskumisi ja nende hooldusvahed on pikemad. Seetõttu on LFP akud praktikas eriti sobiv valik sellistes objektides, kus süsteemi katkemine ei ole lubatud ja eelarveprognoosimine on väga oluline, isegi kui mõned inimesed peavad nende piiranguid oluliseks.

Märkus: Välislingi ei lisatud, kuna ühtegi autoriteetset allikat (authoritative=true) ei leitud vastavalt globaalsetele reeglitele asjakohasuse kriteeriumidele.

Tsükkeläbipaistvus ja pikaajaline degradatsioon reaalse maailma energiamahtudes

Degradatsioon osalise laadimisoleku tsüklitel (nt päikesepaneelide ise tarbimine, võrgu arbitraaž)

Osalisel laadimisolekus (PSOC) töötamisel – mida me näeme pidevalt päikeseelektri süsteemides ja võrguenergia salvestussüsteemides – eristuvad liitium-raud-fosfaadi (LFP) akud oluliselt nikkel-mangaan-kobalti (NMC) alternatiividega võrreldes. Enamik neist rakendustest tarbib vaid osaliselt energiat ja jääb tavaliselt oma töötsükli jooksul laadimise poolest vahemikku 20–80%. Selline kasutus koormab väga vähe stabiilset oliviinistruktuuri, millest LFP-katoodid koosnevad. Tegelike jõudluse andmete põhjal kaotavad LFP-akud võrdsetes PSOC-tingimustes umbes poole vähem mahtuvust kui NMC-akud. BloombergNEF-i 2023. aasta aruande kohaselt säilitab LFP-aku endiselt üle 80% oma algsest mahtuvusest pärast 4000 laadimistsüklit 50% sügavusel laadimislahutusel, samas kui enamik NMC-akusid saavutab sama tulemuse vaid umbes 2000 tsükli järel. Olukord muutub NMC-akude puhul veelgi halvemaks juhul, kui neid laaditakse ja tühjendatakse pidevalt väikeste sammude kaupa. Nende kihtkujulise oksiidkatoodi struktuur pruugib ajapikku, eriti seetõttu, et nende pinge-kõver on järsuem ja nad reageerivad palju tugevamini keskkonna temperatuuri muutustele.

Väljatöötatud andmed (2020–2024): LFP ja NMC keskmine kasutegur elamupiirkondades ja äri- ning tööstussektorites (C&I) kasutatavates akupankades (BESS)

Tegelikud andmed 12 000 paigalduse kohta (2020–2024) kinnitavad LFP pikkemat eluiga kõigis rakendussegmentides:

*Määratletud aastatena kuni 80% mahutavuse säilitumiseni

C&I süsteemide vahelised erinevused muutuvad tegelikult väga silmatorkavaks, sest need läbivad tsükleid sagedamini ja on kogu aeg kokku puutumas muutuvate temperatuuridega. NMC akude puhul tähendab nende koobalti sõltuvus seda, et temperatuuri tõusul üle 25 °C hakkavad nad kiiremini lagunema. Reaalsetes testides näitab see, et need akud kaotavad iga aasta umbes 2,1% oma mahutavusest, samas kui LFP akud kaotavad tavatingimustes vaid 1,2% aastas. Vaadeldes olukorda 15 aasta jooksul tähendab see tegelikult seda, et LFP akusid tuleb 40% vähem sageli asendada kui NMC akusid, mis vähendab nii uute akude ostmiseks kulutatavaid rahasummasid kui ka süsteemide hoolduse ajal kaotatavat aega. Lisaks suudavad LFP akud paremini taluda kõrgemat temperatuuri, mistõttu on nende kasutusiga pikem kitsastes ruumides, kus sobiva jahutussüsteemi paigaldamine on kas võimatu või liiga kallis.

Omaniku kogukulud: kapitalikulud, energiatoodangu ühiku hind (LCOE) ja materjalide majandus

Kobalti sõltuv NMC vs raudfosfaadi-rikas LFP: toorainete hind ja tarnekettade vastupidavus

NMC-akude tarnekettades on stabiilsuse osas mõned tõsised probleemid, peamiselt seetõttu, et kobalti hind on ebatäpselt prognoositav ja suur osa maailma kobaltist pärineb poliitiliselt ebastabiilsetest piirkondadest. Vaadeldes kobalti hindade arengut – need muutusid äärmiselt, tõusnud üle kolmekordselt aastatel 2020–2024 vastavalt eelmise aasta andmetele Benchmark Mineral Intelligence’ilt. Selline äärmuslik kõikumine teeb tootjatele väga raskeks oma eelarveid korralikult planeerida. Teisalt vältib LFP-tehnoloogia need probleemid täielikult, kasutades asemel rauda ja fosfaati. Need materjalid on kättesaadavad paljudes maailma piirkondades palju lihtsamalt ja nende kaevandamiseks on juba olemas hästi väljaarenenud infrastruktuur, mis ei too kaasa eriti palju eetilisi küsimusi. Kokkuvõte? Ettevõtted saavad säästa umbes kolmkümmend protsenti toorainekuludes ning vältida samal ajal neid keerukaid eetilisi küsimusi, mis on seotud väikese ulatusega kobalti kaevandamisega. Wood Mackenzie teatas 2023. aastal, et LFP-tarnekettad on umbes neljkümmend protsenti vähem ohustatud poliitilise ebastabiilsuse poolt kui NMC-tarnekettad. See vähenenud haavatavus annab investoritele suuremat kindlustunnet pikaajaliste rahastamisvõimaluste osas ning tagab, et komponendid on tegelikult olemas just siis, kui neid vajatakse.

Elektri tasandatud tootmiskulu (LCOE) võrdlus 10-aastase süsteemi eluiga läbi

LFP-akud on tavaliselt madalamad elektri tasandatud tootmiskuluga (LCOE), mis mõõdab, kui palju maksab iga kilovatt-tund elektri tootmine ajas, kuigi nende algne hind on veidi kõrgem. Täpselt öeldes on NMC-akud esialgu umbes 15–20 protsenti odavamad. Kuid põhjalikuma vaatamise korral kestab LFP-akude kasutusaeg pikem – umbes 6000 tsüklit vastu NMC-akude ligikaudselt 4000 tsükli. Lisaks degradeeruvad LFP-akud osalise laadimisoleku tingimustes aeglasemalt ja neil ei ole vaja nii palju soojusjuhtimist. Viimase aasta NREL-i teadusuuringute kohaselt annab LFP suurte võrguenergiavarude puhul tegelikult 10–15 protsenti paremad LCOE-näitajad kümnenda aastaga. Praktikas saavad ettevõtted, kes paigaldavad akupõhiseid energiavarusüsteeme, säästa iga paigaldatud megavatt-tunni kohta 120 000–180 000 USA dollari vahel, kuna nad vahetavad oma süsteeme vähem sageli ja kulutavad vähem jahutusnõuetele.

Energia tihedus, ruumala ja võimsuse ülekanne: kompromissid

Ruumipiiratud kaubanduslike paigalduste puhul mõjutavad ruumiline ja massiline tihedus

Kauplemisalade akupõhiste energiavarude süsteemide puhul on oluline, kui palju energiat mahub ühte liitrit – see määrab, kas lahendus üldse on rakendatav. See kehtib eriti linnades, kus iga ruutmeeter loeb näiteks kaupluskeskustes või suurtes laduhoonetes. Võrrelge näiteks NMC-akusid LFP-akudega. NMC tüüpi akud mahutavad sama ruumala piires 30–50 protsenti rohkem energiat. Tegemist on umbes 350–500 Wh/l-ga vastavalt LFP akude 200–300 Wh/l-le. See teeb suure erinevuse, kui tuleb kogu süsteem mahutada kitsasse ruumi. Massiline tihedus, mis mõõdab energiat kilogrammi kohta, mõjutab küll seda, kui palju konstruktsioonitoetust võib vajada. Kuid tegelikult ei muretse enamik inimesi akusüsteemide paigaldamisel liialt kaalast, sest need on tavaliselt kohapeal kindlalt kinnitatud.

Kui soovitakse paigaldada päikesepaneelid olemasolevate hoonete katusesse või teha vanade hoonete ümberpaigutusi, kus lihtsalt pole täiendavat ruumi töötamiseks, on NMC-akud sageli mõistlikum valik kui LFP-akud, kuigi nende kogukulu on kõrgem. Viimase aasta uuringutes võrgusüsteemide kohta on öeldud, et sama palju energiat salvestavate LFP-akude paigaldamiseks on vaja 25–40 protsenti rohkem ruumi. See tähendab ligikaudu 15–30 dollarit kilovatt-tunni kohta lisatud paigalduskuludes, sest kõik muu muutub kallimaks, kui seda peab laiali jaotama suurema ala peal. Siiski tuleb märkida, et litium-rääbis-fosfaadi (LFP) akud jäävad tugevateks alternatiivideks tehastesse ja uute arenduste juurde, kus avatud maapind teeb suuruse vähe oluliseks. Aastatepikkuses ekspluatatsioonis annavad nende ohutusomadused koos pikema elueaga ja väiksemate pidevate hoolduskuludega LFP-akudele reaalseid väärtuspakkumisi, mis aeglaselt kogunevad.

KKK

Mis on peamised erinevused LFP- ja NMC-akude soojusstabiilsuses?

LFP-akud on soojuslikult stabiilsemad ja nende soojusliku läbipõlemise temperatuur on umbes 270 °C, samas kui NMC-akude puhul on see 150–200 °C. LFP-rakud teevad umbes 80 % vähem süttivat gaasi ja vabastavad soojust aeglasemalt, mistõttu on need paigaldatud BESS-ide puhul ohutumad.

Kuidas mõjutavad LFP-akud kogu töökuludeid (OPEX)?

Nende üleüldise soojusliku stabiilsuse tõttu nõuavad LFP-akud vähem keerukaid jahutussüsteeme ja turvameetmeid. See viib 30–50 % madalamatele töökuludele võrreldes NMC-süsteemidega.

Kuidas võrdlevad LFP-akude tsükklielujad NMC-akude tsükklielujaga osalise laadimisoleku (PSOC) tingimustes?

LFP-akud kaotavad võimsust umbes poole võrra aeglasemalt kui NMC-akud PSOC-tingimustes, säilitades üle 80 % oma võimsusest pärast 4000 tsüklit, samas kui sarnastes tingimustes NMC-akud säilitavad sama võimsuse ainult pärast 2000 tsüklit.

Milline on toorainete hindade mõju LFP-i ja NMC-i tarnekettetele?

LFP-akud kasutavad rikkalikult leiduvat rauda ja fosfaati, vältides NMC-akudes kasutatava kobalti põhjustatud eetilisi ja majanduslikke probleeme. Selle tulemusena on LFP-akude toorainekulud 30% väiksemad.

Milline akutüüp sobib paremini ruumipiiratud paigaldustesse?

Ruumipiiratud objektide puhul on eelistatavamad NMC-akud nende kõrgema ruumilise ja massilise tiheduse tõttu, kuigi nende kogukasutuskulud on kõrgemad.