Siguranță și stabilitate termică în sistemele staționare BESS

Temperatura de declanșare a runaway-ului termic și comportamentul de propagare: LFP vs NMC

În ceea ce privește stabilitatea termică, acumulatorii de tip fosfat de fier și litiu (LFP) se disting față de variantele bazate pe nichel-mangan-cobalt (NMC), fiind astfel mult mai siguri pentru utilizarea în sistemele staționare de stocare a energiei electrice (BESS). Ruperea termică apare la aproximativ 270 de grade Celsius pentru acumulatorii LFP, valoare cu mult superioară intervalului de 150–200 de grade Celsius în care acumulatorii NMC încep să cedeze. Această diferență se datorează legăturilor mai puternice dintre fosfat și oxigen din structura LFP și eliberării minime de oxigen în timpul descompunerii. Care este beneficiul în practică? Celulele LFP produc aproximativ 80 % mai puțin gaz inflamabil decât omologii lor și eliberează căldură cu o viteză de 5 grade Celsius pe secundă sau mai mică în cazul unor defecțiuni, astfel încât incendiile nu se răspândesc ușor de la o celulă la alta. Pe de altă parte, acumulatorii NMC prezintă reacții extrem de rapide de ardere și emit gaze care necesită mai multe straturi de protecție, inclusiv sisteme de răcire cu lichid, instalații adecvate de ventilare și chiar mecanisme de stingere a incendiilor, doar pentru a preveni reacțiile în lanț odată ce o singură celulă se supraîncălzește.

Implicații la nivel de sistem: Cum afectează complexitatea managementului termic fiabilitatea și cheltuielile operaționale (OPEX)

Stabilitatea termică integrată în LFP face mult mai ușoară gestionarea problemelor legate de căldură și conduce, în general, la o fiabilitate superioară pe termen lung. Majoritatea instalațiilor NMC necesită sisteme complexe de răcire cu lichid, împreună cu măsuri suplimentare de siguranță, doar pentru a preveni situațiile periculoase de suprâncălzire. În schimb, soluțiile de stocare a energiei bazate pe LFP funcționează adesea perfect cu metode simple de răcire aeriană sau chiar cu bucle de răcire lichidiană de bază. Aceste diferențe se traduc în economii reale de bani. Cifrele spun povestea destul de clar: sistemele NMC ajung să coste cu 30–50% mai mult în cheltuielile de exploatare, deoarece consumă o cantitate mare de energie pentru răcire, au componente care necesită o atenție constantă și includ toate acele caracteristici redundante de siguranță. Testele din lumea reală indică faptul că configurațiile LFP tind să aibă cu aproximativ 20% mai puține opriri neplanificate și să dureze mai mult între verificările de întreținere necesare. Pentru facilitățile în care eșecurile sistemului nu sunt o opțiune și previziunea bugetară are o importanță deosebită, aceste caracteristici de performanță fac ca bateriile LFP să se distingă ca alegeri practice, în ciuda limitărilor pe care unii le-ar putea considera.

Notă: Nu au fost incluse legături externe, deoarece niciuna dintre sursele autorizate (authoritative=true) nu a îndeplinit criteriile de relevanță conform regulilor globale.

Durata de viață în cicluri și degradarea pe termen lung în sistemele reale de stocare a energiei

Degradarea în condiții de ciclare la stare parțială de încărcare (de exemplu, autoconsum solar, arbitraj pe rețea)

Când vine vorba de ciclarea la starea parțială de încărcare – un fenomen pe care îl observăm în mod constant în sistemele de energie solară și în configurațiile de stocare pentru rețea – acumulatorii cu litiu-fier-fosfat (LFP) se disting cu adevărat față de alternativele bazate pe nichel-mangan-cobalt (NMC). Majoritatea acestor aplicații extrag putere doar parțial, rămânând, în mod obișnuit, între 20 % și 80 % încărcați pe întreaga durată a ciclului lor de funcționare. Acest tip de utilizare exercită o presiune foarte redusă asupra structurii stabile de olivină care formează catodurile LFP. Analizând cifrele reale privind performanța, acumulatorii LFP tind să-și piardă capacitatea aproximativ la jumătate din ritmul acumulatorilor NMC, atunci când sunt supuși unor condiții similare de starea parțială de încărcare (PSOC). Conform raportului BloombergNEF din 2023, un acumulator LFP va păstra încă peste 80 % din capacitatea sa inițială după 4.000 de cicluri de încărcare efectuate la o adâncime de descărcare de 50 %, în timp ce majoritatea acumulatorilor NMC ating aceeași valoare abia după aproximativ 2.000 de cicluri. Situația devine și mai gravă pentru acumulatorii NMC în cazurile în care sunt încărcați și descărcați în mod continuu, dar în cantități mici. Structura catodului lor, de tip oxid stratificat, tinde să se fisureze în timp, în special datorită curbei de tensiune mai abrupte și a reacției mult mai intense la variațiile temperaturii mediului ambiant.

Date privind performanța în teren (2020–2024): Durata medie de viață utilizabilă a bateriilor LFP comparativ cu cea a bateriilor NMC în sistemele de stocare a energiei pentru uz rezidențial și comercial & industrial (BESS)

Date din lumea reală provenite din 12.000 de instalații (2020–2024) confirmă avantajul LFP în ceea ce privește durata de viață, în toate segmentele de aplicații:

*Definită ca numărul de ani până la menținerea a 80 % din capacitatea inițială

Diferențele dintre sistemele C&I devin cu adevărat vizibile, deoarece acestea efectuează cicluri mai frecvent și sunt supuse în permanență unor temperaturi variabile. În cazul bateriilor NMC, dependența de cobalt înseamnă că încep să se degradeze mai repede odată ce temperatura depășește 25 de grade Celsius. Testările din lumea reală arată că aceste baterii își pierd aproximativ 2,1 % din capacitate anual, comparativ cu doar 1,2 % pentru bateriile LFP în condiții climatice normale. Analizând situația pe o perioadă de cincisprezece ani, acest lucru înseamnă, de fapt, înlocuirea bateriilor LFP cu 40 % mai puțin frecvent decât a celor NMC, ceea ce reduce atât cheltuielile legate de achiziționarea de baterii noi, cât și timpul pierdut în timpul întreținerii sistemelor. În plus, bateriile LFP suportă mai bine căldura, astfel încât au o durată de viață mai lungă în spații restrânse, unde este fie imposibil, fie prea costisitor să se instaleze sisteme adecvate de răcire.

Costul total de deținere: costul de capital, costul nivelat al energiei (LCOE) și economia materialelor

NMC, dependent de cobalt, vs. LFP, abundent în fosfat de fier: costul materiilor prime și rezistența lanțului de aprovizionare

Lanțurile de aprovizionare pentru bateriile NMC prezintă unele probleme serioase în ceea ce privește stabilitatea, în principal datorită imprevizibilității prețurilor cobaltului și a faptului că o mare parte din cobaltul mondial provine din regiuni cu instabilitate politică. Luați în considerare evoluția prețurilor cobaltului: acestea au crescut excepțional, fluctuând cu peste trei sute la sută între 2020 și 2024, conform datelor Benchmark Mineral Intelligence din anul trecut. Asemenea fluctuații extreme complică foarte mult planificarea bugetară a producătorilor. Pe de altă parte, tehnologia LFP evită complet aceste probleme, deoarece utilizează fier și fosfat în loc de cobalt. Aceste materiale sunt mult mai ușor de obținut în diverse regiuni ale globului, iar infrastructura minieră existentă pentru ele este deja bine dezvoltată și nu ridică numeroase semnale de alarmă etice. Concluzia? Companiile pot economisi aproximativ treizeci la sută din costurile materiilor prime, evitând în același timp întrebările etice delicate legate de exploatarea miniere de mică amploare a cobaltului. Wood Mackenzie a raportat încă din 2023 că lanțurile de aprovizionare LFP prezintă un risc cu aproximativ patruzeci la sută mai mic legat de instabilitatea politică comparativ cu cele NMC. Această vulnerabilitate redusă oferă investitorilor un grad mai mare de liniște în ceea ce privește perspectivele de finanțare pe termen lung și asigură disponibilitatea efectivă a componentelor atunci când sunt necesare.

Comparație privind costul nivelat al electricității (LCOE) pe o perioadă de viață a sistemului de 10 ani

Bateriile LFP tind să aibă un cost nivelat al electricității (LCOE) mai scăzut, care măsoară costul producerii fiecărui kilowatt-oră în timp, chiar dacă au un preț inițial ușor mai ridicat. Este adevărat că bateriile NMC sunt mai ieftine la achiziție, cu aproximativ 15–20 la sută. Totuși, dacă analizăm mai în profunzime, bateriile LFP au o durată de viață mai lungă — aproximativ 6.000 de cicluri, comparativ cu cele aproximativ 4.000 ale bateriilor NMC. În plus, degradarea bateriilor LFP este mai lentă în regim de stare parțială de încărcare și nu necesită o gestionare termică la fel de intensă. Conform unei cercetări publicate anul trecut de către NREL, bateriile LFP generează, în fapt, valori LCOE cu 10–15 la sută mai bune după zece ani, atunci când sunt utilizate pentru stocarea electricității la scară largă în rețea. În termeni practici, întreprinderile care instalează sisteme de stocare a energiei sub formă de baterii pot economisi între 120.000 și 180.000 de dolari americani pe megawatt-oră instalat, deoarece înlocuiesc sistemele lor mai rar și cheltuiesc mai puțin pentru cerințele de răcire.

Compromisuri între densitatea energetică, amprenta și livrarea de putere

Impactul densității volumetrice și gravimetrice asupra instalațiilor comerciale cu spațiu limitat

În cazul sistemelor comerciale de stocare a energiei în baterii, cantitatea de energie stocată pe litru este decisivă pentru fezabilitatea unei soluții. Acest lucru este valabil în special în orașe, unde fiecare metru pătrat este esențial, de exemplu în centre comerciale sau în mari facilități de depozitare. Comparați bateriile NMC cu cele LFP: tipul NMC stochează cu 30–50 % mai multă energie în același volum. Vorbim despre aproximativ 350–500 Wh/L, comparativ cu doar 200–300 Wh/L pentru LFP. Această diferență este semnificativă atunci când se încearcă instalarea întregului sistem în spații restrânse. Densitatea gravimetrică, care măsoară energia pe kilogram, influențează, de asemenea, gradul de susținere structurală necesar. Totuși, în mod realist, mulți utilizatori nu acordă o mare importanță greutății la instalarea acestor sisteme, deoarece acestea sunt, în general, fixate în mod permanent.

Când vine vorba de instalarea panourilor solare pe acoperișul clădirilor existente sau de efectuarea unor modernizări (retrofit) în situații în care pur și simplu nu există spațiu suplimentar disponibil pentru lucru, bateriile NMC sunt adesea mai potrivite decât cele LFP, în ciuda costului total mai mare de deținere. Conform unui studiu publicat anul trecut privind sistemele de rețea, implementarea bateriilor LFP necesită între 25 % și aproape 40 % mai mult spațiu pentru aceeași cantitate de energie stocată. Acest lucru se traduce într-o creștere a costurilor de instalare cu aproximativ 15–30 de dolari pe kilowatt-oră, deoarece toate celelalte elemente devin mai scumpe atunci când sunt răspândite pe suprafețe mai mari. Totuși, merită menționat faptul că variantele pe bază de fosfat de litiu-fier rămân concurenți solizi pentru uzine și proiecte noi, unde există suficient teren liber, iar dimensiunea nu constituie o problemă majoră. Pe parcursul mai multor ani de funcționare, caracteristicile lor superioare de siguranță, durata de viață mai lungă și costurile reduse de întreținere continuă conferă bateriilor LFP avantaje reale de valoare, care se acumulează în timp.

Întrebări frecvente

Care sunt principalele diferențe în ceea ce privește stabilitatea termică între bateriile LFP și cele NMC?

Bateriile LFP au o temperatură mai ridicată de pierdere termică controlată, de aproximativ 270 de grade Celsius, comparativ cu 150–200 de grade Celsius pentru bateriile NMC. Celulele LFP produc aproximativ 80 % mai puțin gaz inflamabil și eliberează căldura cu o viteză mai redusă, ceea ce le face mai sigure în sistemele staționare BESS.

Cum influențează bateriile LFP cheltuielile totale de exploatare (OPEX)?

Datorită stabilității termice superioare, bateriile LFP necesită sisteme de răcire și măsuri de siguranță mai puțin complexe. Acest lucru duce la o reducere a cheltuielilor de exploatare cu 30–50 % comparativ cu sistemele NMC.

Cum se compară durata de viață în cicluri a bateriilor LFP cu cea a bateriilor NMC în scenarii cu stare parțială de încărcare (PSOC)?

Bateriile LFP își pierd capacitatea aproximativ la jumătate din ritmul bateriilor NMC atunci când sunt supuse condițiilor PSOC, menținând peste 80 % din capacitate după 4.000 de cicluri, comparativ cu 2.000 de cicluri pentru bateriile NMC în condiții similare.

Care este impactul costului materiilor prime asupra lanțurilor de aprovizionare LFP versus NMC?

Bateriile LFP folosesc fier și fosfat, materiale abundente, evitând astfel problemele etice și economice legate de cobaltul utilizat în bateriile NMC. Acest lucru duce la o reducere cu 30 % a costurilor materiilor prime pentru bateriile LFP.

Ce tip de baterie este mai potrivit pentru instalații cu spațiu limitat?

Pentru locațiile cu spațiu limitat, bateriile NMC sunt preferabile datorită densității volumetrice și gravimetrice mai mari, în ciuda costului total de proprietate mai ridicat.