Turvallisuus ja lämpötilavakaus kiinteissä BESS-järjestelmissä

Lämpötilan ylläpitämisen aloituspiste ja leviämisominaisuudet: LFP vs NMC

Kun kyse on lämpötilan vakautta, litium-rautafosfaattiakut (LFP) erottautuvat nikkeli-mangaani-kobolttiakkuja (NMC) parempana vaihtoehtona, mikä tekee niistä paljon turvallisemman ratkaisun paikallisille akkukäyttöisille energiavarastojärjestelmille (BESS). Lämpötilan karkaaminen tapahtuu noin 270 asteikossa Celsius-asteikolla LFP-akkujen kohdalla, mikä on huomattavasti yläpuolella NMC-akkujen 150–200 asteen välillä alkavaa epävakautta. Tämä ero johtuu vahvoista fosfaatti-happi-sidoksista LFP-akkujen rakenteessa ja niiden vähäisestä happipäästöstä hajoamisen aikana. Käytännön etu? LFP-kennot tuottavat noin 80 % vähemmän syttyvää kaasua kuin vastaavat NMC-kennot ja vapauttavat lämpöä enintään viisi astetta Celsius-asteikolla sekunnissa, kun jotain menee pieleen, joten tulipalo ei leviä helposti kennosta toiseen. Toisaalta NMC-akut sisältävät nopeita palavia reaktioita ja vapauttavat kaasuja, joiden hallinta vaatii useita suojarakenteita, kuten nestemäisiä jäähdytysjärjestelmiä, asianmukaisia ilmanvaihtoratkaisuja ja jopa palonsammutusmekanismeja, jotta ketjureaktiot voidaan estää, kun yksittäinen kenno ylikuumenee.

Järjestelmätasoiset vaikutukset: Kuinka lämmönhallinnan monimutkaisuus vaikuttaa luotettavuuteen ja käyttökuluihin (OPEX)

LFP:n sisäänrakennettu lämpövakaus tekee siitä huomattavasti helpommin käsitteltyä lämmönhallintahaastetta ja johtaa yleensä parempaan luotettavuuteen ajan mittaan. Useimmat NMC-asennukset vaativat monimutkaisia nestemäisiä jäähdytysjärjestelmiä sekä lisäturvatoimenpiteitä vain vaarallisilta ylikuumenemistilanteilta suojaamiseksi. LFP-perusteiset akkuvarastoratkaisut toimivat kuitenkin usein hyvin yksinkertaisilla ilmajäähdytysmenetelmillä tai jopa perustasoisilla nestemäisillä jäähdytyspiireillä. Nämä erot kääntyvät todellisia säästöjä. Luvut kertovat tarinan melko selvästi: NMC-järjestelmien käyttökustannukset ovat 30–50 prosenttia korkeammat, koska ne kuluttavat paljon jäähdytystehoa, niissä on osia, joihin täytyy kiinnittää jatkuvasti huomiota, ja ne sisältävät kaikki nuo turvavaratoimenpiteet. Käytännön testit osoittavat, että LFP-järjestelmät aiheuttavat noin 20 prosenttia vähemmän odottamattomia pysähyksiä ja niiden välillä on pidempi aika pakollisten huoltotarkastusten välillä. Tilanteissa, joissa järjestelmän epäonnistuminen ei ole vaihtoehto ja budjetointi on tärkeää, nämä suorituskykyominaisuudet tekevät LFP-akkuista käytännöllisiä valintoja, vaikka jotkut pitäisivätkin niitä rajoitetuina.

Huomautus: Ulkoisia linkkejä ei sisällytetty, koska mikään virallinen lähde (authoritative=true) ei täyttänyt merkityksellisyyskriteerejä globaalien sääntöjen mukaan.

Käyttöikä ja pitkäaikainen rappeutuminen todellisissa energiavarastointijärjestelmissä

Rappeutuminen osittaisessa lataustilassa tapahtuvan käytön aikana (esim. aurinkosähkön oma kulutus, sähköverkon arbitraasi)

Kun kyseessä on osittainen lataustilaan liittyvä käyttö – mikä on hyvin yleistä aurinkoenergiasysteemeissä ja sähköverkkoon liitettävissä varastointijärjestelmissä – litium-rautafosfaattiakut (LFP) erottautuvat selvästi nikkeli-mangaani-kobolttiakeista (NMC) valmistettuja akkuja paremmin. Nämä sovellukset vetävät yleensä virtaa vain osittain, ja niiden lataustaso pysyy tyypillisesti käyttöjakson aikana 20–80 prosentin välillä. Tällainen käyttö aiheuttaa hyvin vähän rasitusta LFP-katodien vakaille oliviinirakenteille. Todellisia suorituskykyarvoja tarkasteltaessa LFP-akut menettävät kapasiteettia noin puolet hitaammin kuin NMC-akut samankaltaisissa osittaisen lataustilan (PSOC) olosuhteissa. BloombergNEF:n vuoden 2023 raportin mukaan LFP-akku säilyttää yli 80 % alkuperäisestä kapasiteetistaan jäljelle jäävän 4 000 latauskierron jälkeen, kun syvyys on 50 %, kun taas useimmat NMC-akut saavuttavat saman tason vasta noin 2 000 kierron jälkeen. Tilanne pahenee vielä enemmän NMC-akkujen kohdalla tilanteissa, joissa niitä ladataan ja purkautetaan jatkuvasti pienissä määrissä. Niiden kerroksellisen oksidikatodin rakenne alkaa ajan myötä halkeilla, varsinkin koska niillä on jyrkempi jännitekäyrä ja ne reagoivat huomattavasti voimakkaammin ympäröivän lämpötilan muutoksiin.

Kenttäsuorituskykydata (2020–2024): LFP:n ja NMC:n keskimääräinen käytettävä elinikä asuinkäyttöön ja kaupallisille sekä teollisille akkujärjestelmille (BESS)

Todellisen maailman data 12 000 asennuksesta (2020–2024) vahvistaa LFP:n kestävyysetua kaikilla sovellusalueilla:

*Määritellään vuosina, kunnes kapasiteetti säilyy 80 %:ssa alkuperäisestä

C&I-järjestelmien väliset erot tulevat todella selviksi, koska niitä käytetään useammin ja ne altistuvat jatkuvasti vaihteleville lämpötiloille. NMC-akut, jotka ovat riippuvaisia koboltista, alkavat hajoaa nopeammin, kun lämpötila ylittää 25 °C:n. Käytännön testit osoittavat, että nämä akut menettävät vuosittain noin 2,1 % kapasiteetistaan verrattuna LFP-akkujen 1,2 %:n menetykseen normaalissa ilmastossa. Kahdentoista vuoden aikana tämä tarkoittaa itse asiassa sitä, että LFP-akkuja on vaihdettava 40 % vähemmän usein kuin NMC-akkuja, mikä vähentää sekä uusien akkujen hankintakustannuksia että huollon aikana menetettyä aikaa. Lisäksi LFP-akut kestävät lämpöä paremmin, joten niiden käyttöikä on pidempi kapeissa tiloissa, joissa asianmukaisen jäähdytysjärjestelmän asentaminen on joko mahdotonta tai liian kallista.

Kokonaisomistuskustannukset: pääomakustannukset, sähkön tuotantokustannus (LCOE) ja materiaalitalous

Koboltista riippuvaiset NMC-akut vs rautafosfaatista runsaasti saatavat LFP-akut: raaka-aineiden kustannukset ja toimitusketjun vakaus

NMC-akkujen toimitusketjuissa on vakavasti otettavia ongelmia vakauden suhteen, mikä johtuu pääasiassa kobolttihintojen ennustamattomuudesta ja siitä, että suurin osa maailman koboltista tulee alueilta, joiden poliittinen tilanne on epävakaa. Tarkastellaan esimerkiksi kobolttihintojen kehitystä: niissä esiintyi suuria heilahteluja – hinnat nousivat yli kolmesataa prosenttia vuodesta 2020 vuoteen 2024 Benchmark Mineral Intelligence -yrityksen viime vuoden tiedon mukaan. Tämänlainen äärimmäinen hintavaihtelu vaikeuttaa valmistajien budjetointia huomattavasti. Toisaalta LFP-teknologia välttää nämä ongelmat kokonaan, koska se käyttää rautaa ja fosfaattia. Nämä raaka-aineet ovat saatavilla paljon helpommin eri puolilta maailmaa, ja niiden kaivannaisiin liittyy jo hyvin vakiintunut kaivosteollisuusinfrastruktuuri, joka ei herätä merkittäviä eettisiä huolenaiheita. Yhteenvetona voidaan todeta, että yritykset voivat säästää noin kolmekymmentä prosenttia raaka-ainekustannuksista samalla kun välttävät ne monimutkaiset eettiset kysymykset, jotka liittyvät pienimuotoisiin kobolttikaivoksiin. Wood Mackenzie ilmoitti vuonna 2023, että LFP:n toimitusketjujen alttius poliittiselle epävakauteen on noin neljäkymmentä prosenttia pienempi kuin NMC:n vastaavien ketjujen. Tämä pienempi alttius antaa sijoittajille suurempaa turvallisuudentunnetta pitkän aikavälin rahoitusnäkymiin ja varmistaa, että komponentit ovat todellisuudessa saatavilla tarvittaessa.

Sähkön keskitetty tuotantokustannus (LCOE) -vertailu 10 vuoden järjestelmän käyttöiän ajan

LFP-akut ovat yleensä edullisempia sähkön keskitetyssä tuotantokustannuksessa (LCOE), joka mittaa, kuinka paljon kunkin kilowattitunnin tuottaminen maksaa ajan myötä, vaikka niiden alkuhinta onkin hieman korkeampi. Todellakin NMC-akut ovat aluksi noin 15–20 prosenttia halvempia. Mutta kun tarkastellaan asiaa tarkemmin, LFP-akut kestävät pidempään: noin 6 000 lataus- ja purkukertaa verrattuna NMC:n noin 4 000:een. Lisäksi LFP-akut heikkenevät hitaammin osittaisessa lataustilassa ja eivät vaadi yhtä paljon lämmönhallintaa. Viime vuonna julkaistun NREL:n tutkimuksen mukaan LFP-akut tuottavat itse asiassa 10–15 prosenttia parempia LCOE-lukuja kymmenen vuoden kuluttua, kun niitä käytetään suurimittaisessa sähköverkkovarastoinnissa. Käytännössä yritykset, jotka asentavat akkupohjaisia energiavarastoja, voivat säästää 120 000–180 000 dollaria megawattituntia kohden asennettuna, koska ne vaihtavat varastojaan harvemmin ja käyttävät vähemmän rahaa jäähdytystarpeisiin.

Energiantiukkuuden, rakennusalan ja tehonottojen väliset kompromissit

Tilaa rajoittavien kaupallisten asennusten vaatimukset tilavuus- ja massatiukkuudelle

Kaupallisissa akkuperusteisissa energiavarastojärjestelmissä energiamäärä litraa kohden on ratkaisevan tärkeä tekijä järjestelmän käytännöllisen toteuttamismahdollisuuden kannalta. Tämä pätee erityisesti kaupungeissa, joissa jokainen neliömetri on arvossa esimerkiksi ostoskeskuksissa tai suurissa varastotiloissa. Vertailemaan NMC-akkuja LFP-akkuihin: NMC-tyyppiset akut sisältävät 30–50 prosenttia enemmän energiaa samassa tilavuudessa. Puhumme siis noin 350–500 Wh/l:n energiatilavuudesta verrattuna LFP-akkujen 200–300 Wh/l:ään. Tämä tekee suuren eron, kun järjestelmää yritetään sijoittaa tiukkoihin tiloissa. Massatiukkuus, joka mittaa energiamäärää kilogrammaa kohden, vaikuttaa siihen, kuinka paljon rakenteellista tukea saattaa olla tarpeen. Käytännössä kuitenkin useimmat eivät juurikaan huolehdi painosta näiden järjestelmien asennuksen yhteydessä, koska ne ovat yleensä kiinteästi paikallaan.

Kun aurinkopaneeleja asennetaan olemassa olevien rakennusten katolle tai suoritetaan jälkiasennuksia, joissa ei yksinkertaisesti ole ylimääräistä tilaa työskentelyyn, NMC-akut ovat usein järkevämpi vaihtoehto kuin LFP-akut huolimatta niiden korkeammasta kokonaishoidon kustannuksesta. Viime vuonna julkaistun tutkimuksen mukaan, joka käsittelee sähköverkkojärjestelmiä, LFP-akkujen käyttöönotto vaatii saman verran tehoenergian varastointikykyä varten 25–40 prosenttia enemmän tilaa. Tämä lisää asennuskustannuksia noin 15–30 dollaria kilowattituntia kohden, koska kaikki muukin kustannukset nousevat, kun ne levitetään laajemmalle alueelle. Silti on huomionarvoista, että litium-rautafosfaattiakut säilyttävät hyvän kilpailukykyisyytensä tehtaissa ja uusissa rakennuskohteissa, joissa riittävästi avointa maata tekee akkujen koon vähemmän merkitykselliseksi. Käytön aikana näiden turvallisuusominaisuuksien lisäksi pidempi käyttöikä ja alhaisemmat jatkuvat huoltokustannukset antavat LFP-akulle todellisia arvopropositioita, jotka kertyvät ajan myötä.

UKK

Mikä on pääasiallinen ero LFP- ja NMC-akkujen lämpövakaudessa?

LFP-akut ovat lämpöä pysähtymislämpötilassa noin 270 °C, mikä on korkeampi kuin NMC-akkujen 150–200 °C. LFP-solut tuottavat noin 80 % vähemmän syttyvää kaasua ja vapauttavat lämmön hitaammin, mikä tekee niistä turvallisemman vaihtoehdon paikallisissa BESS-järjestelmissä.

Miten LFP-akut vaikuttavat kokonaistoimintakuluihin (OPEX)?

Niiden paremman lämpövakauden ansiosta LFP-akut vaativat yksinkertaisempia jäähdytysjärjestelmiä ja turvatoimenpiteitä. Tämä johtaa 30–50 % alempiin toimintakuluihin verrattuna NMC-järjestelmiin.

Kuinka LFP-akkujen kierrosluku vertautuu NMC-akkujen kierroslukuun osittaisessa lataustilassa (PSOC)?

LFP-akut menettävät kapasiteettia noin puolet hitaammin kuin NMC-akut PSOC-olosuhteissa ja säilyttävät yli 80 % kapasiteetistaan 4 000 kierroksen jälkeen, kun taas samankaltaisissa olosuhteissa NMC-akut säilyttävät vastaavan kapasiteetin vain 2 000 kierroksen jälkeen.

Mikä on raaka-aineiden kustannusten vaikutus LFP- ja NMC-tuotantoketjuihin?

LFP-akut käyttävät runsaasti saatavilla olevia rautaa ja fosfaattia, jolloin vältetään NMC-akkujen kobaatin käytön aiheuttamat eettiset ja taloudelliset ongelmat. Tämä johtaa LFP-akkujen raaka-ainekustannusten 30 %:n alentumiseen.

Kumpi akkutyypistä soveltuu paremmin tila-ajoittaisiin asennuksiin?

Tila-ajoittaisiin kohteisiin NMC-akut ovat suositeltavampia niiden korkeamman tilavuus- ja massatiukkuuden vuoksi, vaikka niiden kokonaishintakustannus onkin korkeampi.