Bezpieczeństwo i stabilność termiczna w stacjonarnych systemach magazynowania energii (BESS)

Temperatura rozpoczęcia rozbieżności termicznej oraz zachowanie propagacji: LFP kontra NMC

Gdy chodzi o stabilność termiczną, akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP) wyróżniają się na tle opcji z niklu, manganu i kobaltu (NMC), co czyni je znacznie bezpieczniejszymi do zastosowania w stacjonarnych systemach magazynowania energii (BESS). Utrata kontroli termicznej (thermal runaway) występuje przy temperaturze około 270 stopni Celsjusza w przypadku akumulatorów LFP, co jest znacznie wyższe niż zakres 150–200 stopni Celsjusza, w którym akumulatory NMC zaczynają ulegać awarii. Różnica ta wynika z silniejszych wiązań fosforanowo-tlenowych w akumulatorach LFP oraz minimalnego wydzielania tlenu podczas ich rozkładu. Jakie są praktyczne korzyści? Komórki LFP wytwarzają około 80% mniej gazów palnych niż ich odpowiedniki i oddają ciepło z prędkością nie przekraczającą 5 stopni Celsjusza na sekundę w przypadku awarii, dzięki czemu pożary nie rozprzestrzeniają się łatwo z jednej komórki na drugą. Z drugiej strony akumulatory NMC charakteryzują się szybkimi reakcjami spalania oraz emisją gazów wymagających wielowarstwowej ochrony, w tym takich rozwiązań jak układy chłodzenia cieczą, odpowiednie systemy wentylacji, a nawet mechanizmy gaszenia pożarów – wszystko po to, aby zapobiec reakcjom łańcuchowym po przegrzaniu pojedynczej komórki.

Skutki na poziomie systemu: W jaki sposób złożoność zarządzania temperaturą wpływa na niezawodność i koszty operacyjne

Stabilność termiczna wbudowana w akumulatory LFP znacznie ułatwia radzenie sobie z problemami zarządzania ciepłem i ogólnie przekłada się na lepszą niezawodność w czasie. Większość instalacji NMC wymaga skomplikowanych systemów chłodzenia cieczą oraz dodatkowych środków bezpieczeństwa jedynie w celu zapobiegania niebezpiecznemu przegrzewaniu. Natomiast rozwiązania magazynowania energii oparte na technologii LFP często działają bez zarzutu przy użyciu prostych metod chłodzenia powietrzem lub nawet podstawowych obiegów chłodzenia cieczą. Te różnice przekładają się na rzeczywiste oszczędności pieniężne. Liczby jasno to ilustrują – systemy NMC kończą się kosztami eksploatacyjnymi o 30–50 procent wyższymi, ponieważ zużywają dużo energii do chłodzenia, zawierają elementy wymagające ciągłej kontroli oraz posiadają wszystkie te nadmiarowe funkcje bezpieczeństwa. Testy w warunkach rzeczywistych wskazują, że konfiguracje LFP generują około 20 procent mniej nieplanowanych wyłączeń i pozostają sprawne dłużej pomiędzy koniecznymi przeglądami serwisowymi. Dla obiektów, w których awarie systemu są niedopuszczalne, a dokładne prognozowanie budżetu ma kluczowe znaczenie, te cechy wydajnościowe czynią akumulatory LFP praktycznym wyborem, pomimo ograniczeń, jakie niektórzy mogą im przypisywać.

Uwaga: Nie dołączono żadnych linków zewnętrznych, ponieważ żadne źródła autorytatywne (authoritative=true) nie spełniały kryteriów istotności zgodnie z ogólnymi zasadami.

Cykl życia i długoterminowa degradacja w rzeczywistych systemach magazynowania energii

Degradacja podczas cyklowania przy częściowym stanie naładowania (np. samozasilanie z paneli słonecznych, arbitraż sieciowy)

W przypadku cykli ładowania przy częściowym stanie naładowania – zjawiska, które obserwujemy na co dzień w systemach fotowoltaicznych oraz instalacjach magazynowania energii w sieci – akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP) wyraźnie przewyższają alternatywne akumulatory litowo-manganowo-kobaltowe (NMC). Większość tych zastosowań pobiera moc jedynie częściowo, zwykle utrzymując poziom naładowania w zakresie od 20% do 80% w całym cyklu eksploatacyjnym. Taki sposób użytkowania wywiera bardzo niewielkie obciążenie na stabilną strukturę oliwinową, z której zbudowane są katody LFP. Przyglądając się rzeczywistym danym dotyczącym wydajności, akumulatory LFP tracą pojemność z prędkością około dwukrotnie mniejszą niż akumulatory NMC pod wpływem podobnych warunków PSOC (częściowego stanu naładowania). Zgodnie z raportem BloombergNEF z 2023 roku akumulator LFP zachowa ponad 80% swojej pierwotnej pojemności po 4000 cyklach ładowania przy głębokości rozładowania wynoszącej 50%, podczas gdy większość akumulatorów NMC osiąga ten sam próg już po zaledwie ok. 2000 cykli. Sytuacja staje się jeszcze gorsza dla akumulatorów NMC w przypadkach, gdy są one ciągle ładowane i rozładowywane małymi porcjami. Ich warstwowa struktura katod tlenkowych ma tendencję do pękania wraz z upływem czasu, zwłaszcza że charakteryzują się bardziej stromą krzywą napięcia oraz znacznie silniej reagują na zmiany temperatury otoczenia.

Dane dotyczące wydajności w warunkach rzeczywistych (2020–2024): Mediana użytecznego okresu użytkowania akumulatorów LFP w porównaniu z NMC w systemach magazynowania energii BESS dla sektora mieszkaniowego oraz komercyjnego i przemysłowego

Dane z rzeczywistych warunków eksploatacji pochodzące z 12 000 instalacji (2020–2024) potwierdzają dłuższą żywotność akumulatorów LFP we wszystkich segmentach zastosowań:

*Określona jako liczba lat do osiągnięcia 80% zachowanej pojemności

Różnice między systemami C&I stają się szczególnie widoczne, ponieważ cyklują one częściej i są stale narażone na zmienne temperatury. W przypadku akumulatorów typu NMC ich zależność od kobaltu powoduje, że zaczynają one szybciej ulegać degradacji po przekroczeniu temperatury 25 °C. Testy w warunkach rzeczywistych wykazują, że takie akumulatory tracą około 2,1% pojemności rocznie w porównaniu do zaledwie 1,2% dla akumulatorów LFP w normalnych warunkach klimatycznych. Przy analizie okresu 15-letniego oznacza to faktycznie wymianę akumulatorów LFP o 40% rzadziej niż akumulatorów NMC, co przekłada się na obniżenie kosztów zakupu nowych akumulatorów oraz na ograniczenie czasu przestoju związanych z koniecznością konserwacji systemów. Ponadto akumulatory LFP lepiej radzą sobie z wysokimi temperaturami, dzięki czemu mają dłuższą żywotność w ciasnych przestrzeniach, gdzie albo niemożliwe jest zainstalowanie odpowiednich systemów chłodzenia, albo jest to zbyt kosztowne.

Całkowity koszt posiadania: koszt inwestycyjny, LCOE oraz ekonomia materiałów

NMC zależne od kobaltu vs LFP oparte na powszechnie występującym fosforanem żelaza: koszt surowców i odporność łańcucha dostaw

Łańcuchy dostaw baterii typu NMC napotykają poważne problemy z punktu widzenia stabilności, głównie ze względu na dużą niestabilność cen kobaltu oraz polityczne pochodzenie większości światowego zapasu tego pierwiastka. Wystarczy przyjrzeć się zmianom cen kobaltu – według danych Benchmark Mineral Intelligence z ubiegłego roku ceny te uległy gwałtownym wahaniom, wzrastając o ponad trzysta procent w okresie od 2020 do 2024 roku. Taki skrajny poziom fluktuacji utrudnia producentom prawidłowe planowanie budżetów. Z drugiej strony technologia LFP całkowicie omija te problemy, ponieważ wykorzystuje żelazo i fosforan. Te surowce są znacznie łatwiejsze do pozyskania w różnych regionach świata, a istnieją już dobrze rozwinięte infrastruktury górnicze służące ich eksploatacji, które nie budzą poważnych zastrzeżeń etycznych. Podsumowując: firmy mogą oszczędzić około trzydzieści procent kosztów surowców, unikając jednocześnie trudnych kwestii etycznych związanych z małoskalową eksploatacją kobaltu. Według raportu Wood Mackenzie z 2023 roku łańcuchy dostaw baterii typu LFP narażone są na około czterdzieści procent mniejsze ryzyko wynikające z niestabilności politycznej w porównaniu do odpowiedników typu NMC. Ta obniżona podatność zapewnia inwestorom większe poczucie bezpieczeństwa co do perspektyw finansowania w długim okresie oraz gwarantuje rzeczywistą dostępność komponentów w momencie, gdy będą potrzebne.

Porównanie znormalizowanego kosztu energii elektrycznej (LCOE) w okresie 10-letniego czasu użytkowania systemu

Baterie typu LFP charakteryzują się zwykle niższym znormalizowanym kosztem energii elektrycznej (LCOE), który określa, ile kosztuje wytworzenie każdego kilowatogodziny w ciągu czasu, mimo że ich początkowa cena jest nieco wyższa. Oczywiście baterie NMC są tańsze przy zakupie — o około 15–20 procent. Jednak przy bliższym spojrzeniu okazuje się, że żywotność baterii LFP jest dłuższa: wynosi ona około 6000 cykli, podczas gdy dla baterii NMC wynosi ona około 4000 cykli. Ponadto baterie LFP ulegają wolniejszej degradacji w warunkach częściowego naładowania oraz wymagają mniejszego stopnia zarządzania temperaturą. Zgodnie z badaniami Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) opublikowanymi w ubiegłym roku, po dziesięciu latach eksploatacji w zastosowaniach magazynowania energii na dużą skalę w sieci energetycznej baterie LFP zapewniają o 10–15 procent lepsze wskaźniki LCOE. W praktyce firmy instalujące systemy magazynowania energii oparte na bateriach mogą zaoszczędzić od 120 tys. do 180 tys. dolarów amerykańskich na megawatogodzinę zainstalowanej mocy, ponieważ rzadziej wymieniają swoje systemy i ponoszą niższe koszty związane z chłodzeniem.

Kompromisy między gęstością energii, powierzchnią zajmowaną i dostawą mocy

Wpływ gęstości objętościowej i masowej na instalacje komercyjne o ograniczonej przestrzeni

W przypadku komercyjnych systemów magazynowania energii w bateriach kluczowe znaczenie ma ilość energii zgromadzona w jednym litrze – decyduje to o rzeczywistej wykonalności danego rozwiązania. Jest to szczególnie istotne w miastach, gdzie każdy metr kwadratowy liczy się w miejscach takich jak centra handlowe czy duże obiekty magazynowe. Porównajmy baterie NMC z bateriami LFP. Typ NMC umożliwia umieszczenie w tej samej objętości o 30–50% więcej energii. Chodzi tu o około 350–500 Wh/L w porównaniu do zaledwie 200–300 Wh/L dla LFP. Różnica ta ma ogromne znaczenie przy montażu urządzeń w ciasnych przestrzeniach. Gęstość masowa – czyli ilość energii przypadająca na kilogram – wpływa na to, jak mocna konstrukcja nośna będzie potrzebna. Jednak w praktyce większość użytkowników nie przejmuje się zbytnio masą podczas instalacji tych systemów, ponieważ są one zazwyczaj stałe i zamocowane na stałe.

Gdy chodzi o montaż paneli słonecznych na istniejących budynkach lub modernizację obiektów, gdzie po prostu nie ma dodatkowej przestrzeni do pracy, akumulatory typu NMC często są bardziej uzasadnione niż akumulatory typu LFP, mimo wyższego całkowitego kosztu posiadania. Zgodnie z badaniami opublikowanymi w zeszłym roku dotyczącymi systemów sieciowych, wdrożenie akumulatorów LFP wymaga od 25 do prawie 40 procent więcej miejsca przy takiej samej pojemności magazynowania energii. Oznacza to dodatkowe koszty instalacji w wysokości około piętnastu do trzydziestu dolarów za kilowatogodzinę, ponieważ wszystkie inne elementy stają się droższe przy rozproszeniu ich na większej powierzchni. Warto jednak zauważyć, że opcje oparte na fosforanie litowo-żelazie (LFP) pozostają bardzo silnymi kandydatami do zastosowania w zakładach przemysłowych oraz nowych inwestycjach, gdzie dostępna jest duża powierzchnia otwartego terenu, a więc rozmiar nie stanowi istotnego ograniczenia. W trakcie wieloletniej eksploatacji te cechy bezpieczeństwa, dłuższy okres użytkowania oraz niższe koszty utrzymania zapewniają akumulatorom LFP rzeczywiste korzyści wartościowe, które stopniowo się kumulują.

Często zadawane pytania

Jakie są główne różnice w zakresie stabilności termicznej między akumulatorami LFP a NMC?

Baterie LFP mają wyższą temperaturę samozapłonu termicznego, wynoszącą około 270 stopni Celsjusza, w porównaniu do 150–200 stopni Celsjusza dla baterii NMC. Komórki LFP produkują około 80% mniej łatwopalnych gazów i uwalniają ciepło wolniejszym tempem, co czyni je bezpieczniejszymi w zastosowaniach stacjonarnych systemów magazynowania energii (BESS).

W jaki sposób baterie LFP wpływają na całkowite koszty operacyjne (OPEX)?

Dzięki lepszej stabilności termicznej baterie LFP wymagają mniej skomplikowanych systemów chłodzenia oraz środków bezpieczeństwa. Skutkuje to obniżeniem kosztów operacyjnych o 30–50% w porównaniu z systemami NMC.

Jak długość cyklu życia baterii LFP porównuje się z długością cyklu życia baterii NMC w warunkach częściowego naładowania (PSOC)?

W warunkach częściowego naładowania (PSOC) baterie LFP tracą pojemność z prędkością około połowy tej obserwowanej dla baterii NMC, zachowując ponad 80% pojemności po 4000 cyklach, podczas gdy baterie NMC osiągają ten sam poziom po 2000 cyklach w podobnych warunkach.

Jakie jest oddziaływanie kosztów surowców na łańcuchy dostaw baterii LFP i NMC?

Baterie LFP wykorzystują obfity żelazofosforan, unikając tym samym problemów etycznych i ekonomicznych związanych z kobaltem stosowanym w bateriach NMC. Dzięki temu koszty surowców dla baterii LFP są niższe o 30%.

Który typ baterii jest lepszy dla instalacji o ograniczonej przestrzeni?

Dla miejsc o ograniczonej przestrzeni preferowane są baterie NMC ze względu na ich wyższą gęstość objętościową i masową, mimo wyższego całkowitego kosztu posiadania.