Saugumas ir šiluminė stabilumas stacionariose BESS sistemose

Šiluminio nuotėkio pradžios temperatūra ir plitimo elgsena: LFP prieš NMC

Kai kalbama apie šiluminę stabilumą, litio geležies fosfato (LFP) akumuliatoriai išsiskiria palyginti su nikelio-mangano-kobalto (NMC) akumuliatoriais, todėl jie yra žymiai saugesni naudojimui stacionariuose baterijų energijos kaupimo sistemose (BESS). Šiluminis išsiveržimas LFP akumuliatoriuose prasideda maždaug 270 laipsnių Celsijaus temperatūroje, kas yra žymiai aukščiau nei 150–200 laipsnių Celsijaus diapazono, kuriame NMC akumuliatoriai pradeda gedėti. Šis skirtumas susijęs su stipresniais fosfato–deguonies ryšiais LFP akumuliatoriuose ir minimaliu deguonies išsiskyrimu jų skylant. Realus pranašumas? LFP elementai gamina apie 80 % mažiau degių dujų nei jų atitikmenys ir išsklaido šilumą ne daugiau kaip 5 laipsniai Celsijaus per sekundę, kai įvyksta gedimas, todėl ugnis lengvai nesiplinta iš vieno elemento į kitą. Kita vertus, NMC akumuliatoriai turi greitai degančias reakcijas ir išsklaido dujas, kurios reikalauja kelių apsaugos sluoksnių, įskaitant skysto aušinimo sistemas, tinkamas ventiliacijos schemas ir net gaisro gesinimo mechanizmus, kad būtų užkirstas kelias grandininėms reakcijoms, kai perkaista vienas elementas.

Sisteminės pasekmės: Kaip šilumos valdymo sudėtingumas veikia patikimumą ir eksploatacijos išlaidas (OPEX)

Šiluminė stabilumas, įtaisytas į LFP elementus, leidžia daug lengviau spręsti šilumos valdymo problemas ir bendrai užtikrina geresnę patikimumo charakteristiką laikui bėgant. Dauguma NMC įrenginių reikalauja sudėtingų skystojo aušinimo sistemų kartu su papildomomis saugos priemonėmis tik tam, kad būtų išvengta pavojingų perkaitymo situacijų. Tačiau LFP pagrindu sukurtos akumuliatorių kaupimo sistemos dažnai puikiai veikia naudojant paprastas oro aušinimo priemones ar net paprastas skystojo aušinimo grandines. Šios skirtumai išreiškiami tikrais piniginiais taupymais. Skaičiai aiškiai tai rodo – dėl didelio aušinimo energijos suvartojimo, nuolatinės priežiūros reikalaujančių detalių bei visų tų perteklinių saugos funkcijų NMC sistemų eksploatacijos išlaidos galiausiai yra 30–50 procentų didesnės. Realiose bandymų sąlygomis nustatyta, kad LFP sistemos turi apie 20 procentų mažiau netikėtų išjungimų ir ilgesnį laiką veikia be privalomos techninės priežiūros. Įstaigoms, kuriose sistemos gedimai nepriimtini ir kur svarbus tikslus biudžeto planavimas, šios našumo charakteristikos daro LFP akumuliatorius praktiškais pasirinkimais, nepaisant kai kurių jų ribotumų.

Pastaba: Išoriniai nuorodos neįtraukti, nes jokie autoritetiniai šaltiniai (autoritetinis=true) neatitiko aktualumo kriterijų pagal bendrąsias taisykles.

Ciklinis tarnavimo laikas ir ilgalaikis išsekimas realiojoje energijos kaupimo sistemoje

Išsekimas ciklinės veiklos metu daliniu krūvio būsenos režimu (pvz., saulės energijos savivartai, elektros tinklo arbitražui)

Kai kalbama apie dalinio krūvio ciklus – tai reiškinys, kurį dažnai stebime saulės energijos sistemose ir elektros tinklo kaupimo įrenginiuose – litio geležies fosfato (LFP) akumuliatoriai iš tikrųjų išsiskiria palyginti su nikelio-mangano-kobalto (NMC) alternatyvomis. Dauguma šių taikymų naudoja energiją tik dalinai, paprastai išlaikydami įkrovą nuo 20 % iki 80 % visą veikimo ciklą. Toks naudojimas labai mažai apkrauna stabilų olivino struktūrą, kuri sudaro LFP katodus. Remiantis faktiniais veikimo rodikliais, LFP akumuliatoriai praranda talpą maždaug dvigubai lėčiau nei NMC akumuliatoriai esant panašioms dalinio krūvio (PSOC) sąlygoms. Pagal „BloombergNEF“ 2023 m. ataskaitą, LFP akumuliatorius po 4000 įkrovos ciklų, kai išnaudojimo gylis siekia 50 %, vis dar išlaiko daugiau kaip 80 % pradinės talpos, tuo tarpu dauguma NMC akumuliatorių pasiekia tą pačią ribą tik po maždaug 2000 ciklų. Situacija dar labiau pablogėja NMC akumuliatoriams, kai jie nuolat įkraunami ir iškraunami mažais pokyčiais. Jų sluoksninės oksidinės katodo struktūros laikui bėgant linkusi skilinėti, ypač dėl stačios įtampos charakteristikos ir stipresnio reagavimo į aplinkos temperatūros pokyčius.

Lauko naudojimo duomenys (2020–2024 m.): LFP ir NMC vidutinis naudingas gyvavimo laikas buitinėse ir komercinėse bei pramoninėse (C&I) BESS

Realūs duomenys iš 12 000 įrengimų (2020–2024 m.) patvirtina LFP ilgaamžiškumo pranašumą visuose taikymo segmentuose:

*Apibrėžta kaip metai iki 80 % talpos išlaikymo

C&I sistemų skirtumai tampa tikrai pastebimi, nes jos dažniau cikluojamos ir visą laiką veikia kintamos temperatūros sąlygomis. NMC akumuliatorių priklausomybė nuo kobalto reiškia, kad jie pradeda greičiau degraduotis, kai temperatūra viršija 25 °C. Realiojo pasaulio bandymai rodo, kad šie akumuliatoriai kiekvienais metais praranda apie 2,1 % talpos, o LFP akumuliatoriai normaliomis klimato sąlygomis – tik 1,2 %. Per penkiolika metų tai iš tiesų reiškia, kad LFP akumuliatorius reikia keisti 40 % rečiau nei NMC akumuliatorius, todėl sumažėja tiek naujų akumuliatorių įsigijimo išlaidos, tiek prarastas laikas, kai sistemos reikalauja techninės priežiūros. Be to, LFP akumuliatoriai geriau atlaiko karštį, todėl jie ilgiau tarnauja ribotose erdvėse, kur tinkamos aušinimo sistemų įrengimas yra arba neįmanomas, arba per brangus.

Bendrosios savininkystės išlaidos: kapitalinės išlaidos, elektros energijos gamybos išlaidos (LCOE) ir medžiagų ekonomika

Kobaltu priklausomi NMC prieš geležies fosfatu turtingus LFP akumuliatorius: žaliavų kainos ir tiekimo grandinės atsparumas

NMC akumuliatorių tiekimo grandinės turi tam tikrų rimtų stabilumo problemų, daugiausia dėl neįprastos kobalto kainų kaitos ir dėl to, kad didžioji pasaulio kobalto dalis kyla iš politiškai nestabilių regionų. Pažvelkite, kas nutiko su kobalto kainomis – jos labai iššoko, nuo 2020 iki 2024 metų padidėjo daugiau kaip tris kartus, remiantis praeitais metais paskelbtais „Benchmark Mineral Intelligence“ duomenimis. Toks smarkus svyravimas gamintojams daro labai sunku tinkamai planuoti savo biudžetus. Kita vertus, LFP technologija visiškai išvengia šių problemų, nes naudoja geležį ir fosfatą. Šios žaliavos yra daug lengviau įsigyti įvairiose pasaulio vietose, o jų gavybai jau egzistuoja gerai įsitvirtinusi kalnakasybos infrastruktūra, kuri keliamų etinių raudonųjų vėliavėlių skaičius taip pat mažesnis. Pagrindinis rezultatas? Įmonės gali sutaupyti apie trisdešimt procentų žaliavų sąnaudose, taip pat išvengdamos sudėtingų etinių klausimų, susijusių su mažųjų skalės kobalto gavybos veikla. 2023 metais „Wood Mackenzie“ pranešė, kad LFP tiekimo grandinės yra maždaug keturiasdešimt procentų mažiau pažeidžiamos dėl politinės nestabilumo lyginant su NMC tiekimo grandinėmis. Šis sumažėjęs pažeidžiamumas suteikia investuotojams didesnį ramybės jausmą dėl ilgalaikių finansavimo perspektyvų ir užtikrina, kad komponentai tikrai bus prieinami reikiamo laiko momentu.

Lyginamasis elektros energijos gamybos kaštų (LCOE) palyginimas per 10 metų sistemos naudojimo trukmę

LFP akumuliatoriai dažniausiai turi žemesnį lyginamąjį elektros energijos gamybos kaštą (LCOE), kuris nustato, kiek kainuoja kiekvienas kilovatvalandės (kWh) gamyba laikui bėgant, net jei jų pradinė kaina šiek tiek aukštesnė. Žinoma, NMC akumuliatoriai iš pradžių yra apie 15–20 procentų pigesni. Tačiau atidžiau pažvelgus, LFP akumuliatoriai tarnauja ilgiau – apie 6000 ciklų priešingai nei NMC akumuliatorių maždaug 4000 ciklų. Be to, LFP akumuliatoriai lėčiau degraduoja dalinės įkrovos būsenoje ir jiems reikia mažiau šilumos valdymo. Pagal praėjusiais metais paskelbtus Nacionalinio atkurtinės energijos tyrimų centro (NREL) tyrimus, naudojant LFP akumuliatorius didelėms elektros tinklo saugyklos sistemoms, po dešimties metų LCOE rodikliai yra 10–15 procentų geresni. Praktikoje įmonės, įdiegiančios baterijų energijos kaupimo sistemas, gali sutaupyti nuo 120 000 iki 180 000 JAV dolerių už kiekvieną įdiegtą megavatvalandę (MWh), nes joms reikia keisti sistemas rečiau ir mažiau išleisti šalčio kontrolės poreikiams.

Energijos tankio, montavimo vietos ir galios perdavimo kompromisai

Tūrinio ir masės energijos tankio poveikis erdvėje ribotoms komercinėms įrengimų vietoms

Kalbant apie komercines baterijų energijos kaupimo sistemas, kiek energijos telpa į vieną litrą – tai iš tiesų lemia, ar tokia sistema yra praktiškai įgyvendinama. Tai ypač svarbu miestuose, kur kiekvienas kvadratinis metras yra vertingas – pavyzdžiui, prekybos centrų ar didelių sandėlių objektuose. Palyginkime NMC ir LFP baterijas. NMC tipo baterijos į tą pačią tūrinę erdvę talpina 30–50 procentų daugiau energijos. Kalbame apie maždaug 350–500 Wh/l prieš 200–300 Wh/l LFP baterijoms. Tai daro didžiulį skirtumą, kai reikia viską įtaisyti į ribotą erdvę. Dabar masės energijos tankis – tai matas, nurodantis energijos kiekį viename kilogramme – gali turėti įtakos konstrukcinėms atramoms, kurių gali prireikti. Tačiau, sąžiningai kalbant, dauguma žmonių nesirūpina svoriu diegdami šias sistemas, nes jos paprastai fiksuojamos vietoje.

Kai kalbama apie saulės baterijų įrengimą esamų pastatų stoguose arba atnaujinimus, kai tiesiog nėra papildomos vietos darbams atlikti, NMC akumuliatoriai dažnai yra racionaleresnė parinktis nei LFP, nepaisant jų didesnių bendrų naudojimo sąnaudų. Pagal praeitais metais paskelbtus tyrimus apie elektros tinklų sistemas, LFP akumuliatorių diegimui reikia nuo 25 iki beveik 40 procentų daugiau vietos tam pačiam energijos kaupimo kiekiui. Tai reiškia, kad įdiegimo sąnaudos padidėja maždaug 15–30 JAV dolerių už kilovatvalandę, nes viskas kitas tampa brangesnė, kai tai išskleidžiama didesniame plote. Vis dėlto verta paminėti, kad litio geležies fosfato akumuliatoriai išlieka gana stiprūs varžovai gamyklose ir naujuose projektuose, kur yra pakankamai laisvos žemės, todėl dydis mažiau svarbus. Veikiant ilgą laiką šios saugos funkcijos, ilgesnis tarnavimo laikas bei žemesnės nuolatinės priežiūros sąnaudos suteikia LFP tikrąją vertę, kuri nuolat kaupiasi.

DUK

Kokie yra pagrindiniai šiluminės stabilumo skirtumai tarp LFP ir NMC akumuliatorių?

LFP akumuliatoriai turi aukštesnę šiluminės netikrumo temperatūrą – apie 270 °C, palyginti su 150–200 °C NMC akumuliatoriams. LFP elementai išskiria apytikriai 80 % mažiau degiosios dujos ir šilumą išskiria lėtesniu tempu, todėl jie saugesni nejudančiose BESS sistemose.

Kaip LFP akumuliatoriai veikia bendras eksploatacijos sąnaudas (OPEX)?

Dėl geriausios šiluminės stabilumo LFP akumuliatoriai reikalauja mažiau sudėtingų aušinimo sistemų ir saugos priemonių. Tai lemia 30–50 % žemesnes eksploatacijos sąnaudas lyginant su NMC sistemomis.

Kaip LFP akumuliatorių ciklų trukmė lyginama su NMC akumuliatoriais dalinės įkrovos būsenos (PSOC) sąlygomis?

LFP akumuliatoriai praranda talpą apytikriai dvigubai lėčiau nei NMC akumuliatoriai esant PSOC sąlygoms, išlaikydami daugiau kaip 80 % talpos po 4000 ciklų, tuo tarpu panašiomis sąlygomis NMC akumuliatoriai išlaiko tik 80 % talpos po 2000 ciklų.

Koks yra žaliavų kainos poveikis LFP ir NMC tiekimo grandinėms?

LFP akumuliatoriai naudoja daugelio geležies ir fosfato, išvengdami NMC akumuliatoriųse naudojamo kobalto etinių ir ekonominių problemų. Dėl to LFP akumuliatorių žaliavų kaina sumažėja 30 %.

Kuris akumuliatorių tipas geriausiai tinka vietoms su ribotu erdviniu plotu?

Vietoms su ribotu erdviniu plotu pageidautina naudoti NMC akumuliatorius dėl jų didesnio tūrinio ir masės tankio, nors jų bendrosios naudojimo sąnaudos yra aukštesnės.