स्थिर बैटरी एनर्जी स्टोरेज सिस्टम (BESS) में सुरक्षा और तापीय स्थिरता

तापीय अस्थिरता के प्रारंभ होने का तापमान और प्रसार व्यवहार: एलएफपी बनाम एनएमसी

तापीय स्थिरता के मामले में, लिथियम आयरन फॉस्फेट (LFP) बैटरियाँ निकल-मैंगनीज-कोबाल्ट (NMC) विकल्पों की तुलना में अधिक उभरती हैं, जिससे इन्हें स्थिर बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणालियों (BESS) में उपयोग के लिए काफी सुरक्षित बनाया जाता है। LFP बैटरियों में तापीय अस्थिरता लगभग 270 डिग्री सेल्सियस पर होती है, जो NMC बैटरियों के 150–200 डिग्री सेल्सियस की वह सीमा से काफी अधिक है, जिस पर वे विफल होना शुरू कर देती हैं। यह अंतर LFP में मजबूत फॉस्फेट-ऑक्सीजन बंधों और इनके विघटन के दौरान ऑक्सीजन के न्यूनतम मुक्त होने के कारण होता है। व्यावहारिक लाभ क्या है? LFP सेल अपने समकक्षों की तुलना में लगभग 80% कम ज्वलनशील गैस उत्पन्न करते हैं और जब कोई समस्या उत्पन्न होती है, तो ये 5 डिग्री सेल्सियस प्रति सेकंड या उससे कम की दर से ऊष्मा मुक्त करते हैं, जिससे आग एक सेल से दूसरे सेल तक आसानी से नहीं फैलती है। दूसरी ओर, NMC बैटरियों में तीव्र दहन प्रतिक्रियाएँ होती हैं और ये ऐसी गैसें उत्सर्जित करती हैं जिन्हें रोकने के लिए कई स्तरों की सुरक्षा की आवश्यकता होती है—जैसे द्रव शीतलन प्रणालियाँ, उचित वेंटिलेशन व्यवस्था, और यहाँ तक कि आग शमन तंत्र भी—ताकि एकल सेल के अत्यधिक गर्म होने के बाद श्रृंखला प्रतिक्रियाओं को रोका जा सके।

सिस्टम-स्तरीय प्रभाव: तापीय प्रबंधन की जटिलता कैसे विश्वसनीयता और OPEX को प्रभावित करती है

LFP में निर्मित थर्मल स्थायित्व इसे ऊष्मा प्रबंधन की समस्याओं को संभालने को काफी आसान बनाता है और समय के साथ सामान्यतः बेहतर विश्वसनीयता की ओर ले जाता है। अधिकांश NMC स्थापनाओं को खतरनाक अत्यधिक गर्म होने की स्थितियों को रोकने के लिए जटिल द्रव शीतलन प्रणालियों के साथ-साथ अतिरिक्त सुरक्षा उपायों की आवश्यकता होती है। लेकिन LFP आधारित बैटरी भंडारण समाधान अक्सर सरल वायु शीतलन विधियों या यहाँ तक कि मूल द्रव शीतलन लूप के साथ भी अच्छी तरह काम करते हैं। ये अंतर वास्तविक धन की बचत में अनुवादित होते हैं। आंकड़े कहानी को काफी स्पष्ट रूप से बताते हैं — NMC प्रणालियाँ शीतलन शक्ति की अधिक खपत, निरंतर ध्यान आवश्यक करने वाले घटकों और उन सभी अतिरिक्त सुरक्षा सुविधाओं के कारण संचालन व्यय में 30 से 50 प्रतिशत तक अधिक लागत वहन करती हैं। वास्तविक दुनिया के परीक्षण से पता चलता है कि LFP व्यवस्थाओं में अप्रत्याशित शटडाउन लगभग 20 प्रतिशत कम होते हैं और आवश्यक रखरोज की जाँच के बीच का समय भी लंबा होता है। उन सुविधाओं के लिए, जहाँ प्रणाली विफलताएँ कोई विकल्प नहीं हैं और बजट के पूर्वानुमान का बहुत अधिक महत्व है, ये प्रदर्शन विशेषताएँ LFP बैटरियों को उनकी सीमाओं के बावजूद व्यावहारिक विकल्प के रूप में उभारती हैं।

नोट: कोई बाहरी लिंक शामिल नहीं किए गए, क्योंकि कोई प्रामाणिक स्रोत (प्रामाणिक = सत्य) वैश्विक नियमों के अनुसार प्रासंगिकता मानदंडों को पूरा नहीं करता था।

वास्तविक दुनिया में ऊर्जा भंडारण में चक्र आयु और दीर्घकालिक अवक्षय

आंशिक चार्ज-स्थिति चक्रण के तहत अवक्षय (उदाहरण के लिए, सौर आत्म-उपभोग, ग्रिड अर्बिट्रेज)

जब आंशिक चार्ज स्थिति (पार्शियल स्टेट ऑफ चार्ज) के चक्रण की बात आती है — जो हम बार-बार सोलर पावर सिस्टम्स और ग्रिड स्टोरेज सेटअप्स में देखते हैं — तो लिथियम आयरन फॉस्फेट (LFP) बैटरियाँ निकल मैंगनीज कोबाल्ट (NMC) विकल्पों की तुलना में वास्तव में उभर कर सामने आती हैं। इनमें से अधिकांश अनुप्रयोग केवल आंशिक रूप से शक्ति लेते हैं, जिनमें सामान्यतः ऑपरेशन चक्र के दौरान चार्ज स्तर 20% से 80% के बीच बना रहता है। ऐसे उपयोग से LFP कैथोड्स को बनाने वाली स्थिर ओलिवाइन संरचना पर बहुत कम तनाव पड़ता है। वास्तविक प्रदर्शन आंकड़ों पर नज़र डालें तो, समान PSOC (आंशिक चार्ज स्थिति) परिस्थितियों के अधीन होने पर LFP बैटरियाँ NMC बैटरियों की तुलना में लगभग आधी दर से क्षमता खोती हैं। ब्लूमबर्गएनईएफ की 2023 की रिपोर्ट के अनुसार, 50% डिस्चार्ज गहराई पर 4,000 चार्ज चक्रों के बाद भी एक LFP बैटरी अपनी मूल क्षमता का 80% से अधिक बनाए रखती है, जबकि अधिकांश NMC बैटरियाँ यही स्तर केवल लगभग 2,000 चक्रों के बाद प्राप्त कर लेती हैं। जब NMC बैटरियाँ छोटे-छोटे अंशों में लगातार चार्ज और डिस्चार्ज हो रही होती हैं, तो स्थिति और भी खराब हो जाती है। उनकी परतदार ऑक्साइड कैथोड संरचना समय के साथ दरारें बनाने लगती है, विशेष रूप से इसलिए क्योंकि उनका वोल्टेज वक्र अधिक तीव्र होता है और वे वातावरणीय तापमान में परिवर्तन के प्रति कहीं अधिक संवेदनशील होती हैं।

क्षेत्रीय प्रदर्शन डेटा (2020–2024): आवासीय और वाणिज्यिक एवं औद्योगिक (C&I) BESS में LFP बनाम NMC के उपयोगी औसत आयुकाल

वास्तविक दुनिया के 12,000 स्थापनाओं से प्राप्त डेटा (2020–2024) LFP के लंबी अवधि तक चलने के लाभ की पुष्टि करता है, जो सभी अनुप्रयोग खंडों में देखा गया है:

*80% क्षमता धारण तक के वर्षों के रूप में परिभाषित

C&I प्रणालियों के बीच के अंतर वास्तव में स्पष्ट रूप से दिखाई देते हैं, क्योंकि ये प्रणालियाँ अधिक बार चक्रण (साइकिलिंग) करती हैं और समय-समय पर भिन्न-भिन्न तापमान के संपर्क में रहती हैं। NMC बैटरियों के लिए कोबाल्ट पर निर्भरता के कारण, जब तापमान 25 डिग्री सेल्सियस से ऊपर जाता है, तो ये तेज़ी से विघटित होने लगती हैं। वास्तविक दुनिया के परीक्षणों से पता चलता है कि इन बैटरियों की क्षमता प्रति वर्ष लगभग 2.1% कम हो जाती है, जबकि सामान्य जलवायु परिस्थितियों में LFP बैटरियों के मामले में यह कमी केवल 1.2% होती है। पंद्रह वर्षों की अवधि में इसे देखा जाए, तो यह वास्तव में इतना है कि LFP बैटरियों को NMC बैटरियों की तुलना में 40% कम बार प्रतिस्थापित करने की आवश्यकता होती है, जिससे नई बैटरियों पर खर्च की गई धनराशि और प्रणालियों के रखरखाव के दौरान नष्ट हुए समय दोनों कम हो जाते हैं। इसके अतिरिक्त, LFP बैटरियाँ ऊष्मा को बेहतर ढंग से संभालती हैं, अतः उनका जीवनकाल उन तंग स्थानों पर अधिक होता है, जहाँ उचित शीतलन प्रणालियों की स्थापना या तो असंभव है या बहुत महंगी है।

कुल स्वामित्व लागत: पूंजी लागत, LCOE और सामग्री अर्थशास्त्र

कोबाल्ट-आधारित NMC बनाम लौह-फॉस्फेट-प्रचुर LFP: कच्चे माल की लागत और आपूर्ति श्रृंखला की स्थिरता

एनएमसी बैटरियों के आपूर्ति श्रृंखलाओं में स्थिरता के मामले में कुछ गंभीर समस्याएँ हैं, मुख्य रूप से इसलिए क्योंकि कोबाल्ट की कीमतें कितनी अप्रत्याशित हैं और दुनिया का अधिकांश कोबाल्ट राजनीतिक रूप से कहाँ से आता है। कोबाल्ट की कीमतों पर एक नज़र डालिए — बेंचमार्क मिनरल इंटेलिजेंस के पिछले वर्ष के आँकड़ों के अनुसार, 2020 से 2024 तक ये कीमतें अत्यधिक उतार-चढ़ाव वाली रहीं, जिनमें 300 प्रतिशत से अधिक की वृद्धि देखी गई। इस प्रकार के तीव्र उतार-चढ़ाव से निर्माताओं के लिए अपने बजट की योजना बनाना वास्तव में कठिन हो जाता है। दूसरी ओर, एलएफपी प्रौद्योगिकी इन समस्याओं को पूरी तरह से टाल जाती है, क्योंकि यह लोहा और फॉस्फेट का उपयोग करती है। ये सामग्रियाँ विश्व के विभिन्न भागों में प्राप्त करने में कहीं अधिक आसान हैं, और उनके लिए पहले से ही एक अच्छी तरह स्थापित खनन अवसंरचना मौजूद है, जो नैतिक दृष्टिकोण से कोई बड़ी चिंता का कारण नहीं बनती है। अंतिम निष्कर्ष क्या है? कंपनियाँ कच्चे माल की लागत पर लगभग तीस प्रतिशत बचत कर सकती हैं, साथ ही छोटे पैमाने के कोबाल्ट खनन संचालनों के चारों ओर उठने वाले उन जटिल नैतिक प्रश्नों से भी बच सकती हैं। वुड मैकेंज़ी ने 2023 में रिपोर्ट की थी कि एलएफपी आपूर्ति श्रृंखलाओं को राजनीतिक अस्थिरता के कारण एनएमसी के समकक्षों की तुलना में लगभग चालीस प्रतिशत कम जोखिम का सामना करना पड़ता है। यह कमजोरी में कमी निवेशकों को दीर्घकालिक वित्तपोषण की संभावनाओं के संबंध में अधिक शामिल आत्मविश्वास प्रदान करती है और यह सुनिश्चित करती है कि आवश्यकता पड़ने पर घटक वास्तव में उपलब्ध होंगे।

10 वर्ष के प्रणाली जीवनकाल के दौरान विद्युत की समानांतर लागत (LCOE) की तुलना

LFP बैटरियों की विद्युत की समानांतर लागत (LCOE) आमतौर पर कम होती है, जो समय के साथ प्रति किलोवाट-घंटा उत्पादन की लागत को मापती है, भले ही इनकी प्रारंभिक कीमत थोड़ी अधिक हो। निश्चित रूप से, NMC बैटरियाँ शुरुआत में लगभग 15 से 20 प्रतिशत सस्ती होती हैं। लेकिन जब हम गहराई से देखते हैं, तो LFP का जीवनकाल लगभग 6,000 चक्रों तक होता है, जबकि NMC का जीवनकाल लगभग 4,000 चक्रों तक होता है। इसके अतिरिक्त, LFP आंशिक चार्ज स्थिति (partial state of charge) के संचालन के दौरान धीमी गति से क्षीण होती है और इसे तापीय प्रबंधन की कम आवश्यकता होती है। पिछले वर्ष प्रकाशित NREL के शोध के अनुसार, बड़े पैमाने पर ग्रिड भंडारण के लिए उपयोग करने पर LFP का LCOE दस वर्षों के बाद वास्तव में 10 से 15 प्रतिशत बेहतर होता है। व्यावहारिक रूप से, व्यवसाय जो बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ स्थापित करते हैं, प्रति मेगावाट-घंटा स्थापित करने पर 120,000 से 180,000 डॉलर तक की बचत कर सकते हैं, क्योंकि वे अपनी प्रणालियों को कम बार बदलते हैं और शीतलन आवश्यकताओं पर कम व्यय करते हैं।

ऊर्जा घनत्व, आकार (फुटप्रिंट) और शक्ति वितरण में समझौते

स्थान-प्रतिबंधित वाणिज्यिक स्थापनाओं पर आयतनिक और द्रव्यमान-आधारित घनत्व के प्रभाव

जब बात वाणिज्यिक बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की होती है, तो प्रति लीटर संकल्पित ऊर्जा की मात्रा वास्तव में इस बात को निर्धारित करती है कि कोई विशिष्ट समाधान व्यावहारिक रूप से संभव है या नहीं। यह विशेष रूप से उन शहरों में सत्य है जहाँ शॉपिंग मॉल या बड़े भंडारण सुविधाओं जैसे स्थानों पर प्रत्येक वर्ग फुट महत्वपूर्ण होता है। NMC बैटरियों और LFP बैटरियों की तुलना करें। NMC प्रकार की बैटरियाँ एक ही स्थान में 30 से 50 प्रतिशत अधिक ऊर्जा संकल्पित करती हैं। हम यहाँ लगभग 350 से 500 वॉट-घंटा/लीटर की बात कर रहे हैं, जबकि LFP के लिए यह केवल 200 से 300 वॉट-घंटा/लीटर है। जब सब कुछ सीमित स्थान में फिट करने की बात आती है, तो यह एक बहुत बड़ा अंतर बनाता है। अब द्रव्यमान-आधारित घनत्व, जो प्रति किलोग्राम ऊर्जा को मापता है, यह निर्धारित करता है कि संरचनात्मक समर्थन की कितनी आवश्यकता होगी। लेकिन सच कहूँ तो, इन प्रणालियों को स्थापित करते समय अधिकांश लोग भार के बारे में अधिक चिंतित नहीं होते, क्योंकि वे आमतौर पर स्थायी रूप से स्थापित होते ही हैं।

जब मौजूदा इमारतों के शीर्ष पर सोलर पैनल लगाने या ऐसे रिट्रॉफिट्स के बारे में बात की जाती है, जहाँ काम करने के लिए सिर्फ़ कोई अतिरिक्त स्थान उपलब्ध नहीं है, तो उच्च कुल स्वामित्व लागत के बावजूद एनएमसी (NMC) बैटरियाँ अक्सर एलएफपी (LFP) की तुलना में अधिक उचित विकल्प होती हैं। पिछले वर्ष प्रकाशित ग्रिड प्रणालियों पर शोध के अनुसार, समान मात्रा में ऊर्जा भंडारण के लिए एलएफपी बैटरियों को लगाने के लिए 25 से लगभग 40 प्रतिशत अधिक स्थान की आवश्यकता होती है। इसका अर्थ है कि प्रति किलोवाट-घंटा लगभग पंद्रह से तीस डॉलर की अतिरिक्त स्थापना लागत आती है, क्योंकि जब सब कुछ बड़े क्षेत्रफल पर फैला होता है, तो अन्य सभी लागतें भी बढ़ जाती हैं। फिर भी, यह ध्यान रखने योग्य है कि कारखानों और नए विकास क्षेत्रों में, जहाँ पर्याप्त खुली भूमि उपलब्ध है और आकार कम महत्वपूर्ण होता है, लिथियम आयरन फॉस्फेट (LFP) विकल्प अभी भी काफी मजबूत प्रतिद्वंद्वी बने रहते हैं। सालों तक के संचालन के दौरान, उनकी सुरक्षा विशेषताएँ, लंबा जीवनकाल और कम निरंतर रखरखाव लागतें एलएफपी को वास्तविक मूल्य प्रस्ताव प्रदान करती हैं, जो लगातार बढ़ते रहते हैं।

सामान्य प्रश्न

एलएफपी (LFP) और एनएमसी (NMC) बैटरियों के बीच तापीय स्थायित्व में मुख्य अंतर क्या हैं?

LFP बैटरियों का थर्मल रनअवे तापमान लगभग 270 डिग्री सेल्सियस होता है, जबकि NMC बैटरियों के लिए यह 150–200 डिग्री सेल्सियस के बीच होता है। LFP सेल ज्वलनशील गैस का लगभग 80% कम उत्पादन करते हैं और ऊष्मा को धीमी दर से मुक्त करते हैं, जिससे इन्हें स्थिर BESS में अधिक सुरक्षित बनाया जाता है।

LFP बैटरियाँ कुल संचालन व्यय (OPEX) पर कैसे प्रभाव डालती हैं?

अपनी उत्कृष्ट थर्मल स्थिरता के कारण, LFP बैटरियों के लिए कम जटिल शीतलन प्रणालियों और सुरक्षा उपायों की आवश्यकता होती है। इससे NMC प्रणालियों की तुलना में 30–50% कम संचालन व्यय आता है।

आंशिक चार्ज स्थिति (PSOC) के परिदृश्यों में LFP बैटरियों का चक्र जीवन NMC की तुलना में कैसा होता है?

PSOC स्थितियों के अधीन होने पर LFP बैटरियाँ क्षमता को NMC की तुलना में लगभग आधी दर से खोती हैं, जिससे इनकी क्षमता 4,000 चक्रों के बाद भी 80% से अधिक बनी रहती है, जबकि समान परिस्थितियों में NMC बैटरियों के लिए यह आंकड़ा 2,000 चक्रों तक सीमित है।

कच्चे माल की लागत का LFP और NMC आपूर्ति श्रृंखलाओं पर क्या प्रभाव पड़ता है?

एलएफपी बैटरियाँ प्रचुर मात्रा में उपलब्ध लोहे और फॉस्फेट का उपयोग करती हैं, जिससे एनएमसी बैटरियों में इस्तेमाल किए जाने वाले कोबाल्ट के नैतिक और आर्थिक मुद्दों से बचा जा सकता है। इससे एलएफपी के लिए कच्चे माल की लागत में 30% की कमी आती है।

स्थान-प्रतिबंधित स्थापनाओं के लिए कौन सा बैटरी प्रकार बेहतर है?

स्थान-प्रतिबंधित स्थलों के लिए एनएमसी बैटरियाँ अधिक वरीय हैं, क्योंकि उनका आयतनिक और द्रव्यमान-आधारित घनत्व अधिक होता है, भले ही उनकी कुल स्वामित्व लागत अधिक हो।