ایمنی و پایداری حرارتی در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری ثابت (Stationary BESS)

دمای آغاز رخداد واکنش گرمایی نامطلوب (Thermal Runaway) و رفتار انتشار آن: LFP در برابر NMC

در مورد پایداری حرارتی، باتری‌های فسفات آهن لیتیوم (LFP) در مقایسه با گزینه‌های نیکل منگنز کبالت (NMC) برجسته می‌شوند و از این رو برای استفاده در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری ثابت (BESS) ایمن‌تر هستند. واکنش حرارتی ناپایدار (Thermal runaway) در باتری‌های LFP در دمای حدود ۲۷۰ درجه سانتی‌گراد رخ می‌دهد که بسیار بالاتر از محدوده ۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد است که در آن باتری‌های NMC شروع به خرابی می‌کنند. این تفاوت ناشی از پیوندهای قوی‌تر فسفات-اکسیژن در باتری‌های LFP و آزادسازی بسیار کم اکسیژن هنگام تجزیه آن‌هاست. مزیت واقعی در دنیای واقعی این است که سلول‌های LFP حدود ۸۰ درصد گاز قابل اشتعال کمتری نسبت به سلول‌های معادل خود تولید می‌کنند و هنگام بروز مشکل، گرما را با نرخی برابر یا کمتر از ۵ درجه سانتی‌گراد در ثانیه آزاد می‌کنند؛ بنابراین آتش به‌راحتی از یک سلول به سلول دیگر گسترش نمی‌یابد. از سوی دیگر، باتری‌های NMC واکنش‌های سریع‌سوزی دارند و گازهایی را منتشر می‌کنند که نیازمند چندین لایه حفاظتی از جمله سیستم‌های خنک‌کننده مایع، ترتیبات مناسب تهویه و حتی مکانیزم‌های خاموش‌کننده آتش هستند تا از رخ‌دادن واکنش‌های زنجیره‌ای پس از گرم‌شدن بیش از حد تنها یک سلول جلوگیری شود.

پیامدهای سطح سیستم: چگونه پیچیدگی مدیریت حرارتی بر قابلیت اطمینان و هزینه‌های عملیاتی (OPEX) تأثیر می‌گذارد

پایداری حرارتی ذاتی در باتری‌های LFP، مدیریت گرما را به‌مراتب ساده‌تر کرده و عموماً منجر به قابلیت اطمینان بالاتری در طول زمان می‌شود. اکثر نصب‌های NMC نیازمند سیستم‌های پیچیده خنک‌کننده مایع همراه با اقدامات اضافی ایمنی هستند تا از وقوع شرایط گرمایش خطرناک جلوگیری شود. اما راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی مبتنی بر LFP اغلب با روش‌های ساده خنک‌کنندگی هوایی یا حتی حلقه‌های اساسی خنک‌کنندگی مایع نیز به‌خوبی کار می‌کنند. این تفاوت‌ها مستقیماً به صرفه‌جویی در هزینه‌ها منجر می‌شوند. اعداد و ارقام داستان را به‌وضوح روایت می‌کنند: سیستم‌های NMC به‌دلیل مصرف بسیار بالای انرژی برای خنک‌سازی، نیاز به نظارت مداوم بر قطعات و وجود ویژگی‌های اضافی ایمنی، در هزینه‌های عملیاتی حداقل ۳۰ تا ۵۰ درصد گران‌تر تمام می‌شوند. آزمون‌های واقعی نشان می‌دهند که سیستم‌های مبتنی بر LFP حدود ۲۰ درصد کمتر دچار خاموشی‌های غیرمنتظره می‌شوند و فاصله زمانی بین بازرسی‌های لازم برای نگهداری در آن‌ها طولانی‌تر است. برای تأسیساتی که شکست سیستم امکان‌پذیر نیست و پیش‌بینی بودجه اهمیت بسزایی دارد، این ویژگی‌های عملکردی باعث می‌شود باتری‌های LFP علیرغم محدودیت‌هایی که برخی احتمالاً به آن‌ها نسبت می‌دهند، گزینه‌های عملی و برجسته‌ای باشند.

یادداشت: هیچ پیوند خارجی‌ای اضافه نشده است، زیرا هیچ منبع معتبری (authoritative=true) بر اساس قوانین جهانی، معیارهای ارتباطی را برآورده نکرده است.

طول عمر چرخه‌ای و تخریب بلندمدت در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی در شرایط واقعی

تخریب در حالت چرخه‌گردش با ظرفیت بارگیری جزئی (برای مثال، مصرف خودی انرژی خورشیدی یا معاملات انرژی در شبکه)

وقتی صحبت از چرخه‌های شارژ جزئی (Partial State of Charge) می‌شود — که پدیده‌ای است که به‌طور مداوم در سیستم‌های انرژی خورشیدی و نصب‌های ذخیره‌سازی شبکه مشاهده می‌شود — باتری‌های لیتیوم فسفرات آهن (LFP) در مقایسه با جایگزین‌های نیکل منگنز کبالت (NMC) واقعاً برجسته می‌شوند. اکثر این کاربردها تنها بخشی از توان را مصرف می‌کنند و معمولاً در طول چرخه عملیاتی خود بین ۲۰٪ تا ۸۰٪ ظرفیت شارژ باقی می‌مانند. این نوع استفاده فشار بسیار کمی بر ساختار پایدار اُلیوینی اعمال می‌کند که کاتد باتری‌های LFP را تشکیل می‌دهد. با بررسی اعداد واقعی عملکرد، باتری‌های LFP در شرایط مشابه PSOC تمایل دارند ظرفیت خود را با نرخی حدود نصف باتری‌های NMC از دست بدهند. بر اساس گزارش بلومبرگ‌ان‌ای‌اف (BloombergNEF) در سال ۲۰۲۳، یک باتری LFP پس از ۴۰۰۰ چرخه شارژ-دشارژ با عمق تخلیه ۵۰٪ همچنان بیش از ۸۰٪ از ظرفیت اولیه خود را حفظ می‌کند، در حالی که اکثر باتری‌های NMC تنها پس از حدود ۲۰۰۰ چرخه به همین میزان ظرفیت می‌رسند. وضعیت برای باتری‌های NMC در شرایطی که به‌طور مداوم در مراحل کوچک شارژ و دشارژ قرار می‌گیرند، حتی بدتر می‌شود. ساختار لایه‌ای اکسیدی کاتد این باتری‌ها با گذشت زمان تمایل به ترک خوردن دارد، به‌ویژه اینکه منحنی ولتاژ آن‌ها شیب تندتری دارد و واکنش قوی‌تری نسبت به تغییرات دمای محیطی نشان می‌دهند.

داده‌های عملکردی در محل (۲۰۲۰–۲۰۲۴): میانه‌ی طول عمر قابل استفاده‌ی باتری‌های LFP در مقایسه با NMC در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری خانگی و تجاری و صنعتی (BESS)

داده‌های دنیای واقعی از ۱۲۰۰۰ نصب‌شده (۲۰۲۰–۲۰۲۴) برتری طول عمر LFP را در تمامی بخش‌های کاربردی تأیید می‌کند:

*تعریف‌شده به‌عنوان تعداد سال‌ها تا زمانی که ظرفیت باتری به ۸۰٪ از ظرفیت اولیه خود برسد

تفاوت‌های بین سیستم‌های تجاری و صنعتی (C&I) واقعاً قابل توجه می‌شوند، زیرا این سیستم‌ها به‌طور مکرر شارژ و تخلیه می‌شوند و همواره در معرض دماهای متغیر قرار دارند. برای باتری‌های NMC، وابستگی آن‌ها به کبالت باعث می‌شود که پس از عبور دما از ۲۵ درجه سانتی‌گراد، سریع‌تر از بین بروند. آزمایش‌های واقعی نشان می‌دهند که این باتری‌ها هر سال حدود ۲٫۱٪ از ظرفیت خود را از دست می‌دهند، در حالی که باتری‌های LFP در شرایط آب‌وهوایی عادی تنها ۱٫۲٪ ظرفیت از دست می‌دهند. اگر به این موضوع در طول ۱۵ سال نگاه کنیم، این امر در عمل به معنای جایگزین‌کردن باتری‌های LFP ۴۰٪ کمتر از باتری‌های NMC است؛ که این امر هم هزینه‌های ناشی از خرید باتری‌های جدید و هم زمان از دست رفته در اثر توقف سیستم‌ها برای نگهداری را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، باتری‌های LFP تحمل حرارت بهتری دارند و بنابراین در فضاهای محدود—که در آن‌ها نصب سیستم‌های خنک‌کننده مناسب یا غیرممکن است یا هزینه‌بر می‌باشد—طول عمر بیشتری دارند.

هزینه کل مالکیت: هزینه سرمایه‌گذاری اولیه، هزینه انرژی تولیدی (LCOE) و اقتصاد مواد

باتری‌های NMC وابسته به کبالت در مقابل باتری‌های LFP غنی از فسفات آهن: هزینه مواد اولیه و تاب‌آوری زنجیره تأمین

زنجیره‌های تأمین باتری‌های NMC با مشکلات جدی‌ای از نظر پایداری مواجه هستند، عمدتاً به دلیل ناپایداری قیمت کبالت و منشأ سیاسی اکثر کبالت جهان. به نوسانات قیمت کبالت توجه کنید: بر اساس داده‌های مؤسسه‌ی تخصصی Benchmark Mineral Intelligence در سال گذشته، قیمت کبالت از سال ۲۰۲۰ تا سال ۲۰۲۴ بیش از سه‌بار برابر شده است. چنین نوسان شدیدی برنامه‌ریزی دقیق بودجه تولیدکنندگان را بسیار دشوار می‌کند. از سوی دیگر، فناوری LFP این مشکلات را به‌طور کامل دور می‌زند، زیرا از آهن و فسفات استفاده می‌کند. این مواد در مناطق مختلف جهان به‌راحتی قابل تأمین‌اند و زیرساخت‌های استخراجی پیشین و خوب‌برقرارشده‌ای برای آنها وجود دارد که از نظر اخلاقی نیز چندان مورد انتقاد قرار نمی‌گیرند. نتیجه‌ی نهایی این است که شرکت‌ها می‌توانند حدود سی درصد از هزینه‌های مواد اولیه خود صرفه‌جویی کنند و همزمان از پرسش‌های اخلاقی پیچیده‌ای که حول استخراج کبالت در مقیاس کوچک مطرح می‌شوند، دوری جست. مؤسسه‌ی Wood Mackenzie در سال ۲۰۲۳ گزارش داد که زنجیره‌های تأمین LFP در مقایسه با معادل‌های NMC حدود چهل درصد کمتر در معرض خطر ناشی از ناپایداری سیاسی قرار دارند. این کاهش آسیب‌پذیری، اطمینان بیشتری به سرمایه‌گذاران در خصوص چشم‌انداز تأمین بلندمدت منابع مالی می‌دهد و اطمینان حاصل می‌کند که قطعات در زمان لازم واقعاً در دسترس خواهند بود.

مقایسه هزینه ترازشده برق (LCOE) در طول عمر ۱۰ ساله سیستم

باتری‌های LFP معمولاً هزینه ترازشده برق (LCOE) پایین‌تری دارند که این شاخص، هزینه تولید هر کیلووات‌ساعت را در طول زمان اندازه‌گیری می‌کند، حتی اگر قیمت اولیه آن‌ها کمی بالاتر باشد. البته باتری‌های NMC در ابتدا حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد ارزان‌تر هستند. اما با بررسی دقیق‌تر، باتری‌های LFP عمر طولانی‌تری دارند و حدود ۶۰۰۰ چرخه تحمل می‌کنند، در حالی که این عدد برای باتری‌های NMC تقریباً ۴۰۰۰ چرخه است. علاوه بر این، نرخ تخریب باتری‌های LFP در عملیات حالت شارژ جزئی کندتر است و نیاز کمتری به مدیریت حرارتی دارند. بر اساس تحقیقات انجام‌شده توسط آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر ایالات متحده (NREL) که سال گذشته منتشر شد، استفاده از باتری‌های LFP در ذخیره‌سازی برق در مقیاس بزرگ شبکه، پس از ده سال منجر به بهبود ۱۰ تا ۱۵ درصدی شاخص LCOE می‌شود. از دیدگاه کاربردی، کسب‌وکارهایی که سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری را نصب می‌کنند، می‌توانند به‌دلیل جایگزینی کمتر سیستم‌ها و کاهش هزینه‌های مربوط به سیستم‌های خنک‌کننده، بین ۱۲۰ هزار تا ۱۸۰ هزار دلار آمریکا در هر مگاوات‌ساعت نصب‌شده صرفه‌جویی کنند.

تداوم انرژی، سطح اشغال‌شده و تناقض‌های مربوط به تأمین توان

تأثیرات چگالی حجمی و چگالی جرمی بر نصب‌های تجاری با محدودیت فضایی

در مورد سیستم‌های تجاری ذخیره‌سازی انرژی باتری، میزان انرژی ذخیره‌شده در هر لیتر واقعاً بر امکان‌پذیری عملی یک سیستم تأثیرگذار است. این امر به‌ویژه در شهرها صادق است که در مکان‌هایی مانند مرکز‌های خرید یا انبارهای بزرگ، هر فوت مربع اهمیت دارد. به مقایسهٔ باتری‌های NMC با باتری‌های LFP توجه کنید. نوع NMC تا ۳۰ تا ۵۰ درصد انرژی بیشتری را در همان حجم جای می‌دهد. منظور از این اعداد، حدود ۳۵۰ تا ۵۰۰ وات‌ساعت بر لیتر در مقابل تنها ۲۰۰ تا ۳۰۰ وات‌ساعت بر لیتر برای باتری‌های LFP است. این تفاوت در شرایطی که باید تمام تجهیزات در فضاهای محدود جای گیرند، تأثیر بسزایی دارد. اکنون چگالی جرمی — که انرژی ذخیره‌شده در هر کیلوگرم را اندازه‌گیری می‌کند — می‌تواند بر میزان پشتیبانی سازه‌ای مورد نیاز تأثیر بگذارد. اما در حقیقت، بیشتر افراد هنگام نصب این سیستم‌ها نگران وزن زیاد نیستند، زیرا معمولاً این سیستم‌ها به‌صورت ثابت و جا‌گیر روی سازه نصب می‌شوند.

وقتی صحبت از نصب پنل‌های خورشیدی روی ساختمان‌های موجود یا انجام بازسازی‌هایی می‌شود که در آن‌ها به سادگی فضای اضافی برای کار وجود ندارد، باتری‌های NMC اغلب گزینه‌ای منطقی‌تر از باتری‌های LFP هستند، حتی با وجود هزینه کلی بالاتر در طول دوره استفاده. بر اساس تحقیقات منتشرشده سال گذشته درباره سیستم‌های شبکه، نصب باتری‌های LFP برای ذخیره‌سازی مقدار معینی انرژی، نیازمند فضایی بین ۲۵ تا تقریباً ۴۰ درصد بیشتر از باتری‌های NMC است. این امر به افزایش هزینه‌های نصب به میزان تقریبی ۱۵ تا ۳۰ دلار بر هر کیلووات‌ساعت منجر می‌شود، زیرا تمام اجزای دیگر نیز هنگام پخش‌شدن روی سطوح بزرگ‌تر، گران‌تر می‌شوند. با این حال، باید توجه داشت که گزینه‌های لیتیوم-آهن-فسفات (LFP) همچنان رقیب‌های قوی‌ای برای کارخانه‌ها و توسعه‌های جدید هستند که در آن‌ها فضای باز فراوان، اهمیت ابعاد را کاهش می‌دهد. در طول سال‌ها عملیات، ویژگی‌های ایمنی بالاتر، عمر طولانی‌تر و هزینه‌های نگهداری پیوسته پایین‌تر، ارزش واقعی قابل‌توجهی برای باتری‌های LFP ایجاد می‌کنند که به‌طور تدریجی افزایش می‌یابد.

سوالات متداول

تفاوت‌های اصلی در پایداری حرارتی بین باتری‌های LFP و NMC چیست؟

باتری‌های LFP دمای بالاتری برای فرار حرارتی (حدود ۲۷۰ درجه سانتی‌گراد) نسبت به باتری‌های NMC (۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد) دارند. سلول‌های LFP حدود ۸۰٪ گاز قابل اشتعال کمتری تولید می‌کنند و گرما را با نرخ کندتری آزاد می‌سازند، که این امر ایمنی آن‌ها را در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری ثابت (BESS) افزایش می‌دهد.

باتری‌های LFP چگونه بر هزینه‌های کلی عملیاتی (OPEX) تأثیر می‌گذارند؟

به دلیل پایداری حرارتی برتر خود، باتری‌های LFP نیاز به سیستم‌های خنک‌کننده و اقدامات ایمنی کمتری دارند. این امر منجر به کاهش ۳۰ تا ۵۰ درصدی هزینه‌های عملیاتی نسبت به سیستم‌های NMC می‌شود.

طول عمر چرخه‌ای باتری‌های LFP در شرایط شارژ جزئی (PSOC) چگونه با باتری‌های NMC مقایسه می‌شود؟

باتری‌های LFP در شرایط PSOC ظرفیت خود را با نرخی حدود نصف باتری‌های NMC از دست می‌دهند و پس از ۴۰۰۰ چرخه، بیش از ۸۰٪ ظرفیت خود را حفظ می‌کنند، در حالی که باتری‌های NMC تحت شرایط مشابه پس از ۲۰۰۰ چرخه ظرفیت خود را از دست می‌دهند.

تأثیر هزینه مواد اولیه بر زنجیره‌های تأمین LFP در مقایسه با NMC چیست؟

باتری‌های LFP از آهن و فسفات فراوان استفاده می‌کنند و از مسائل اخلاقی و اقتصادی ناشی از کبالت به‌کار رفته در باتری‌های NMC جلوگیری می‌کنند. این امر منجر به کاهش ۳۰٪ی هزینه مواد اولیه برای باتری‌های LFP می‌شود.

کدام نوع باتری برای نصب‌های با محدودیت فضایی مناسب‌تر است؟

برای مکان‌های با محدودیت فضایی، باتری‌های NMC به دلیل چگالی حجمی و جرمی بالاتر آن‌ها ترجیح داده می‌شوند، هرچند هزینه کل مالکیت آن‌ها بیشتر است.