בטיחות ויציבות תרמית במערכות אחסון אנרגיה סטציונריות (BESS)

טמפרטורת התחלה של ריצה תרמית לא מבוקרת והתנהגות התפשטותה: LFP לעומת NMC

בנוגע ליציבות תרמית, סוללות ליתיום-ברזל-פוספט (LFP) בולטות בהשוואה לסוללות ניקל-מנגן-קובלט (NMC), מה שהופך אותן לבטוחות בהרבה לשימוש במערכות אחסון אנרגיה סולאריות נייחות (BESS). ריצה תרמית מתרחשת בסביבות 270 מעלות צלזיוס בסוללות LFP, כלומר הרבה מעל הטווח של 150–200 מעלות צלזיוס שבו סוללות NMC מתחילות להיכשל. ההבדל הזה נובע מקשרי פוספט-חמצן חזקים יותר ב-LFP ומשחרור מינימלי של חמצן בעת פירוקן. התועלת בעולם האמיתי? תאיפי LFP מייצרים כ־80% פחות גז דליק מאשר ידידיהם, ומשחררים חום בקצב של 5 מעלות צלזיוס בשנייה או פחות כאשר קורה משהו לא תקין, כך ששריפות אינן מתפשטות בקלות מתא אחד לאחר אחר. מצד שני, לסוללות NMC יש תגובות בעלות דלק מהיר, והן משחררות גזים הדורשים מספר שכבות הגנה, כולל מערכות קירור נוזליות, התקנות תקינות להשקייה ותהליך הסרת עשן, ואפילו מנגנוני בלעת אש, רק כדי למנוע תגובות שרשרת לאחר החמה יתרה של תא יחיד.

השלכות ברמה המערכתית: כיצד מורכבות ניהול החום משפיעה על האמינות ועל הוצאות הפעלה (OPEX)

היציבות התרמית המובנית ב-LFP הופכת את ניהול החום לקלה בהרבה ומובילה לרוב לאמינות טובה יותר לאורך זמן. רוב התקנות של NMC דורשות מערכות קירור נוזליות מורכבות יחד עם אמצעי בטיחות נוספים רק כדי למנוע מצבים מסוכנים של חימום יתר. לעומת זאת, פתרונות אחסון סוללות מבוססי LFP לעיתים קרובות עובדים כראוי גם עם שיטות קירור אויר פשוטות או אפילו עם לולאות קירור נוזליות בסיסיות. ההבדלים הללו מתורגמים לחסכון ממשי בכסף. המספרים מספרים את הסיפור באופן די ברור – מערכות NMC יוצאות בין 30 ל-50 אחוז יקרות יותר בהוצאות התפעוליות שלהן, בשל צריכת הכוח הגבוהה לקירור, בגלל חלקים הדורשים תשומת לב קבועה, וכן בגלל כל אמצעי הבטיחות redundancy הנוספים. בדיקות בעולם האמיתי מראות כי מערכות LFP נוטות להתקל ב-20 אחוז פחות עצירות לא צפויות ולשרוד זמן ארוך יותר בין בדיקות תחזוקה נדרשות. עבור מתקנים שבהם כשל המערכת אינו אפשרי וחיזוי התקציב הוא קריטי, מאפייני הביצועים האלה הופכים את סוללות ה-LFP לבחירה פרקטית, למרות המגבלות שאולי יראו בהן חלק מהאנשים.

הערה: לא הוכנסו קישורים חיצוניים מכיוון שאף מקור מוסמך (authoritative=true) לא עמד בקריטריוני הרלוונטיות לפי הכללים הגלובליים.

אורך מחזור ותהליך דעיכה ארוך טווח באחסון אנרגיה בעולם האמיתי

דעיכה בתנאי מחזור חלקית של מצב המטען (למשל, צריכה עצמית של סולארית, מסחר ברשת החשמל)

כאשר מדובר בלולאות של מטען חלקי (Partial State of Charge) – דבר שצופים בו באופן קבוע במערכות סולאריות ובמערכות אחסון ברשת החשמל – סוללות ליתיום-ברזל-פוספט (LFP) באמת מבליטות את עצמן בהשוואה לחלופות המבוססות ניקל-מנגן-קובלט (NMC). רוב היישומים האלה מספקים כוח רק באופן חלקי, וכתוצאה מכך רמת המטען שלהם נשארת בדרך כלל בין 20% ל-80% לאורך מחזור הפעולה שלהן. סוג זה של שימוש מפעיל עומס זעום על מבנה האוליבין היציב שמהווה את הקתודות מסוג LFP. אם נבחן נתונים ממשיים של ביצועים, סוללות LFP נוטות לאבד קיבולת בקצב שקטן בערך פי שניים מזה של סוללות NMC כאשר הן נתונות לאותם תנאי מטען חלקי (PSOC). לפי דו"ח BloombergNEF משנת 2023, סוללת LFP תשמור על יותר מ-80% מהקיבולת המקורית שלה לאחר 4,000 מחזורי טעינה במעומק פריקה של 50%, בעוד שרוב סוללות ה-NMC יגעו לאותו ערך כבר לאחר כ-2,000 מחזורי טעינה. המצב נעשה גרוע אף יותר עבור סוללות NMC במקרי שימוש שבהם מתרחשים טעינה ופריקה חוזרים ונשנים בצעדים קטנים. מבנה הקתודה שלהן, בעל מבנה חומצי שכבותי, נוטה להתפצל עם הזמן, במיוחד בשל עקומת המתח השטוחה שלהן והתגובה החזקה הרבה יותר לשינויי טמפרטורת הסביבה.

נתוני ביצועים בשטח (2020–2024): תוחלת חיים שימושית ממוצעת של סוללות LFP לעומת NMC במערכות אגירת אנרגיה למשתמשים פרטיים ולעסקים (BESS)

נתונים מהשטח מ-12,000 התקנות (2020–2024) מאשרים את היתרון באורך החיים של סוללות LFP בכל קטעי היישום:

*מוגדרת כמספר שנים עד השימור של 80% מהקיבולת המקורית

ההבדלים בין מערכות C&I הופכים ממש מובחנים, מכיוון שהן עובדות במחזוריות גבוהה יותר ומוגבלות לתנאי טמפרטורה משתנים כל הזמן. עבור סוללות NMC, התלות שלהן בקובלט גורמת להן להתחיל להתפרק מהר יותר כאשר הטמפרטורות עולות מעל 25 מעלות צלזיוס. בדיקות בשטח מציגות כי סוללות אלו מאבדות כ־2.1% מהקיבולת שלהן מדי שנה, לעומת איבוד של רק 1.2% בסוללות LFP בתנאי אקלים רגילים. אם מסתכלים על תקופה של חמש-עשרה שנים, זה למעשה פירושו שסولלות LFP דורשות החלפה ב־40% פחות תכופות מאשר סוללות NMC, מה שמצמצם הן את ההוצאות על סוללות חדשות והן את זמן האיבוד הנגרם בשל תחזוקת המערכות. בנוסף, סוללות LFP מתמודדות טוב יותר עם חום, ולכן משך חייהן ארוך יותר במרחבים צפופים שבהם אי אפשר או יקר מדי להתקין מערכות קירור מתאימות.

עלות הבעלות הכוללת: עלות הון, עלות האנרגיה ליחידת קילוואט-שעה (LCOE) וכלכלה של חומרים

NMC שתלויה בקובלט לעומת LFP העשירה באבץ-פוספט: עלות החומר הגלמי ועמידות שרשרת האספקה

שרשראות האספקה לסוללות NMC נתקלות בבעיות חמורות של יציבות, בעיקר בשל אי-הניבאויות במחיר הקובאלט ומכיוון שרוב הקובאלט בעולם מגיע ממדינות בעלות סיכונים פוליטיים. עיינו בתופעה שקרויה למחירים של קובאלט – הם התפוצצו, ועלו יותר משלוש מאות אחוזים בין 2020 ל-2024, על פי נתוני Benchmark Mineral Intelligence מהשנה שעברה. תנודות קיצוניות מסוג זה מקשות מאוד על יצרנים לתכנן את תקציביהם כראוי. מצד שני, טכנולוגיית LFP מתחמקת לחלוטין מהבעיות הללו, מאחר שהיא משתמשת ברזל ופוספט במקום בקובאלט. חומרים אלו זמינים בהרבה יותר מקומות ברחבי העולם, וקיימת כבר תשתיות כרייה מפותחות עבורם, אשר אינן מעוררות דאגות אתיות משמעותיות. המסקנה הסופית? חברות יכולות לחסוך כשלושים אחוזים בעלויות החומרים הגלמיים, ובנוסף להימנע מהשאלות האתיות המורכבות הקשורות לפעולת כריית קובאלט בקנה מידה קטן. לפי דו"ח של Wood Mackenzie משנת 2023, שרשרת האספקה של LFP חשופה לסיכון פוליטי הנמוך בקרוב לארבעים אחוזים לעומת זו של NMC. הפחית הזו בסיכון נותנת משקיעים רוגע נפשי גדול יותר בנוגע למסקנות ארוכות הטווח של מימון והבטחת זמינות המרכיבים בעת הצורך.

השוואת עלות החשמל הממוצעת (LCOE) לאורך תקופת חיים של מערכת בת 10 שנים

סוללות LFP נוטות להציע עלות חשמל ממוצעת (LCOE) נמוכה יותר, אשר מודדת את העלות לייצור כל קילוואט-שעה לאורך זמן, גם אם המחיר הראשוני שלהן גבוה במעט. אכן, סוללות NMC זולות יותר בתחילה בכ־15–20 אחוזים. אך כאשר בוחנים לעומק, סוללות LFP נמשכות לתקופה ארוכה יותר — בערך 6,000 מחזורי טעינה/פריקה לעומת כ־4,000 מחזורים עבור NMC. בנוסף, ירידה באפקטיביות הסוללה (degradation) chez LFP מתרחשת לאט יותר במהלך פעולות בהספק חלקי (partial state of charge), והיא דורשת ניהול תרמי מועט יותר. לפי מחקר שפורסם בשנה שעברה על ידי המרכז הלאומי לחקר אנרגיה מתחדשת (NREL), סוללות LFP מובילות לשיפור של 10–15 אחוזים במדד ה-LCOE לאחר עשר שנים, כאשר הן משמשות לאחסון אנרגיה ברשת גדולה. במונחים מעשיים, עסקים המתקינים מערכות לאחסון אנרגיה בסוללות יכולים לחסוך בין 120,000 ל-180,000 דולר למגאווט-שעה מותקנת, בשל החלפת המערכות במרווחי זמן ארוכים יותר ופחת בהוצאות הנדרשות למערכת הקירור.

החלפות בין צפיפות אנרגיה, שטח הקרקע ומערכת אספקת הספק

השפעת הצפיפות הנפחית והצפיפות המרחבית על התקנות מסחריות עם מגבלות שטח

כאשר מדובר במערכות מסחריות לאגירת אנרגיה באבזרים סולריים, כמות האנרגיה שמתאגדת לליטר היא קריטית לקביעת היכולת להטמיע את המערכת בפועל. עובדה זו מתקיימת במיוחד בערים, שבהן כל רגל ריבועית נחוצה במתקנים כגון מרכזי קניות או מחסנים גדולים. עיינו בבטריות מסוג NMC לעומת אלו מסוג LFP: סוג ה-NMC מאחסן 30–50 אחוזים יותר אנרגיה באותו נפח. מדובר בטווח של כ-350–500 וואט-שעה לליטר, לעומת 200–300 וואט-שעה לליטר בבטריות מסוג LFP. הפרש זה משמעותי מאוד כאשר יש צורך להכניס את כל המערכת למקומות צפופים. כעת, הצפיפות המשקלית — שהיא מדד לאנרגיה ליחידת מסה (לכל קילוגרם) — אכן משפיעה על כמות התמיכה המבנית הנדרשת. אך למעשה, מרבית המשתמשים אינם מודאגים במיוחד ממשקל בעת התקנת מערכות אלו, מאחר שהן בדרך כלל מוצבות במקום קבוע.

כאשר מדובר בהוספת פאנלים סולריים על גגות בניינים קיימים או בביצוע שיפוצים שבהם פשוט אין מקום נוסף לעבודה, סוללות NMC לעתים קרובות הגיוניות יותר מסוללות LFP, למרות עלות הבעלות הכוללת הגבוהה שלהן. לפי מחקר שפורסם בשנה שעברה על מערכות רשת, התקנת סוללות LFP דורשת שטח גדול ב-25 עד כמעט 40 אחוז עבור אותו כמות אחסון של הספק. זה מתורגם לעלות נוספת של כ-15–30 דולר לקילוואט-שעה בעלות ההתקנה, מאחר שכל יתר הרכיבים הופכים יקרים יותר כאשר מפזרים אותם על שטחים גדולים יותר. עם זאת, יש לציין כי אפשרויות ליתיום-ברזל-פוספט נשארות מועמדות חזקות במיוחד למפעלים ולפרויקטים חדשים, שבהם קיימת אדמה פתוחה בשפע וגודל הסוללה הוא פחות בעייתי. לאורך השנים של פעילות, תכונות הבטיחות הנוספות הללו, יחד עם תקופת חיים ארוכה יותר והוצאות נמוכות יותר לתפעול ותחזוקה, יוצרות ערך ממשי לסוללות LFP שממשיך להתגבש.

שאלות נפוצות

מה הם ההבדלים העיקריים בייציבות החום בין סוללות LFP לסוללות NMC?

סוללות LFP ישנה טמפרטורת עלייה תרמית קריטית גבוהה יותר, כ-270 מעלות צלזיוס, לעומת 150–200 מעלות צלזיוס בסוללות NMC. תאיפי ה-LFP מייצרים כ-80% פחות גז דליק ומשחררים חום בקצב איטי יותר, מה שהופך אותם לבטוחים יותר במערכות אחסון סוללות נייחות (BESS).

איך משפיעות סוללות LFP על הוצאות הפעלה כלליות (OPEX)?

בשל יציבותם התרמית המועילה, לסוללות LFP נדרשים מערכות קירור ואמצעי בטיחות פחות מורכבים. כתוצאה מכך, הוצאות הפעלה נמוכות ב-30–50% בהשוואה למערכות NMC.

איך מתווכחת משך חיים של מחזורים של סוללות LFP לעומת NMC במצבים של טעינה חלקית (PSOC)?

סוללות LFP מאבדות קיבולת בקצב שקטן פי שניים מזה של NMC בתנאי טעינה חלקית (PSOC), ומשמרות יותר מ-80% מקיבולתן לאחר 4,000 מחזורים, לעומת 2,000 מחזורים עבור סוללות NMC בתנאים דומים.

מה ההשפעה של עלות החומרים הגלמיים על שרשרת האספקה של LFP לעומת NMC?

סוללות LFP משתמשות בברזל ופוספט שזמינים בשפע, ובכך מתחמקות מהבעיות האתיות והכלכליות הקשורות לקובלט המשמש בסוללות NMC. כתוצאה מכך, עלות החומרים הגלמיים של סוללות LFP ירדה ב-30%.

אילו סוג סוללה עדיף להתקנות במקומות עם מגבלות שטח?

במקרים של התקנות במקומות עם מגבלות שטח, סוללות NMC הן המועדות יותר בשל הצפיפות הנפחית והצפיפות המסה הגבוהה שלהן, למרות עלות הבעלות הכוללת הגבוהה יותר שלהן.