Безопасность и тепловая стабильность в стационарных системах хранения энергии (BESS)

Температура начала теплового разгона и поведение распространения теплового разгона: LFP против NMC

Что касается термостабильности, литий-железо-фосфатные (LFP) аккумуляторы выделяются на фоне аккумуляторов на основе никеля-марганца-кобальта (NMC), что делает их значительно более безопасными для использования в стационарных системах хранения энергии на аккумуляторах (BESS). Термический разгон у LFP-аккумуляторов происходит при температуре около 270 °C — это существенно выше диапазона 150–200 °C, в котором начинают выходить из строя аккумуляторы типа NMC. Такая разница обусловлена более прочными фосфатно-кислородными связями в LFP и минимальным выделением кислорода при их разложении. Практическое преимущество? LFP-элементы выделяют примерно на 80 % меньше воспламеняющихся газов по сравнению с аналогами и отдают тепло со скоростью не более 5 °C в секунду в аварийных ситуациях, поэтому возгорание не распространяется легко от одного элемента к другому. В свою очередь, у аккумуляторов NMC протекают быстропротекающие реакции горения, а выделяемые ими газы требуют многоуровневой защиты, включая, например, системы жидкостного охлаждения, правильные системы вентиляции и даже средства подавления пожара, чтобы предотвратить цепную реакцию после перегрева всего лишь одного элемента.

Последствия на уровне системы: как сложность системы теплового управления влияет на надёжность и эксплуатационные расходы

Термическая стабильность, заложенная в литий-ферро-фосфатные (LFP) аккумуляторы, значительно упрощает решение задач управления тепловыми режимами и, как правило, обеспечивает более высокую надёжность в течение всего срока службы. Большинство систем на основе NMC требуют сложных жидкостных систем охлаждения и дополнительных мер безопасности лишь для предотвращения опасного перегрева. В то же время решения на основе LFP зачастую прекрасно работают при использовании простых систем воздушного охлаждения или даже базовых контуров жидкостного охлаждения. Эти различия напрямую транслируются в реальную экономию средств. Цифры говорят сами за себя: эксплуатационные расходы на системы NMC превышают расходы на аналогичные системы LFP на 30–50 % из-за высокого энергопотребления систем охлаждения, необходимости постоянного технического обслуживания компонентов и наличия избыточных функций безопасности. Практические испытания показывают, что установки на основе LFP демонстрируют примерно на 20 % меньше непредвиденных отключений и требуют проведения планового технического обслуживания реже. Для объектов, где отказы системы недопустимы, а точность бюджетного планирования имеет первостепенное значение, такие эксплуатационные характеристики делают аккумуляторы LFP практичным выбором, несмотря на те ограничения, которые некоторые могут в них видеть.

Примечание: Внешние ссылки не включены, поскольку ни один авторитетный источник (authoritative=true) не соответствовал критериям актуальности согласно глобальным правилам.

Ресурс циклов и долгосрочная деградация в реальных системах накопления энергии

Деградация при циклировании с частичным зарядом (например, для самопотребления солнечной энергии, арбитража на энергорынке)

При эксплуатации в режиме частичного циклирования заряда — что характерно для фотоэлектрических систем и установок накопления энергии в сетях — литий-железо-фосфатные (LFP) аккумуляторы действительно выделяются на фоне альтернативных решений на основе никель-марганец-кобальта (NMC). Большинство таких применений предполагают частичное потребление энергии, при этом уровень заряда обычно поддерживается в диапазоне от 20 % до 80 % в течение всего цикла эксплуатации. Такой режим эксплуатации создаёт крайне незначительную нагрузку на устойчивую оливиновую структуру катодов LFP-аккумуляторов. Согласно реальным показателям эксплуатационных характеристик, при одинаковых условиях частичного циклирования заряда (PSOC) LFP-аккумуляторы теряют ёмкость примерно вдвое медленнее, чем NMC-аккумуляторы. Согласно отчёту BloombergNEF за 2023 год, LFP-аккумулятор сохраняет более 80 % своей первоначальной ёмкости после 4000 циклов зарядки при глубине разряда 50 %, тогда как большинство NMC-аккумуляторов достигают этого же показателя лишь после примерно 2000 циклов. Положение NMC-аккумуляторов ещё более усугубляется в ситуациях, когда они постоянно подвергаются множественным мелким циклам зарядки и разрядки. Их слоистая оксидная структура катода со временем склонна к образованию трещин, особенно из-за более крутой вольт-амперной характеристики и повышенной чувствительности к изменениям температуры окружающей среды.

Данные о полевой эксплуатации (2020–2024 гг.): медианный срок службы LFP по сравнению с NMC в стационарных системах хранения энергии для бытовых и коммерческих/промышленных применений (BESS)

Реальные данные по 12 000 установленных систем (2020–2024 гг.) подтверждают преимущество LFP в плане долговечности во всех сегментах применения:

*Определяется как количество лет до снижения ёмкости до 80 % от первоначальной

Различия между системами C&I становятся особенно заметными, поскольку они циклируются чаще и постоянно подвергаются воздействию колеблющихся температур. Для аккумуляторов NMC их зависимость от кобальта означает, что деградация начинается быстрее при превышении температуры 25 °C. Испытания в реальных условиях показывают, что такие аккумуляторы теряют около 2,1 % ёмкости ежегодно по сравнению с лишь 1,2 % для аккумуляторов LFP в нормальных климатических условиях. За пятнадцатилетний период это означает, что аккумуляторы LFP требуют замены на 40 % реже, чем аккумуляторы NMC, что позволяет сократить как затраты на приобретение новых аккумуляторов, так и простои, связанные с техническим обслуживанием систем. Кроме того, аккумуляторы LFP лучше переносят высокие температуры и поэтому служат дольше в стеснённых условиях, где установка надлежащей системы охлаждения либо невозможна, либо экономически нецелесообразна.

Совокупная стоимость владения: капитальные затраты, уровень стоимости электроэнергии (LCOE) и экономика материалов

NMC, зависящие от кобальта, против LFP, основанных на обильном железо-фосфате: стоимость сырья и устойчивость цепочки поставок

Цепочки поставок для батарей NMC сталкиваются с рядом серьёзных проблем в плане стабильности, главным образом из-за высокой непредсказуемости цен на кобальт и геополитической концентрации основных мировых запасов кобальта. Обратите внимание на динамику цен на кобальт: согласно данным Benchmark Mineral Intelligence за прошлый год, они резко выросли — более чем на триста процентов — в период с 2020 по 2024 год. Такие экстремальные колебания затрудняют производителям составление точных бюджетов. С другой стороны, технология LFP полностью обходит эти проблемы, поскольку использует железо и фосфат. Эти материалы доступны во многих регионах мира, а инфраструктура их добычи уже хорошо развита и не вызывает значительных этических вопросов. Итог таков: компании могут сэкономить примерно тридцать процентов на стоимости сырья, одновременно избегая сложных этических дилемм, связанных с мелкомасштабной добычей кобальта. Как сообщало агентство Wood Mackenzie ещё в 2023 году, цепочки поставок LFP подвержены приблизительно на сорок процентов меньшему риску, связанному с политической нестабильностью, по сравнению с цепочками поставок NMC. Такое снижение уязвимости даёт инвесторам большее спокойствие в отношении перспектив долгосрочного финансирования и гарантирует фактическую доступность компонентов в нужное время.

Сравнение усреднённой стоимости электроэнергии (LCOE) в течение 10-летнего срока службы системы

У аккумуляторов на основе литий-железо-фосфата (LFP) обычно ниже усреднённая стоимость электроэнергии (LCOE), которая показывает, сколько стоит производство каждого киловатт-часа с течением времени, несмотря на то, что изначально их цена несколько выше. Да, аккумуляторы на основе литий-никель-марганец-кобальта (NMC) дешевле при первоначальной покупке примерно на 15–20 %. Однако при более детальном анализе выясняется, что срок службы LFP-аккумуляторов больше: около 6000 циклов по сравнению с примерно 4000 циклами у NMC. Кроме того, деградация LFP-аккумуляторов протекает медленнее при эксплуатации в условиях частичного заряда и им требуется меньшая интенсивность теплового управления. Согласно исследованию Национальной лаборатории возобновляемой энергетики США (NREL), опубликованному в прошлом году, при использовании в крупномасштабных системах накопления энергии для электросетей показатели LCOE у LFP-аккумуляторов через десять лет оказываются на 10–15 % лучше, чем у NMC. На практике компании, устанавливающие системы накопления энергии на базе аккумуляторов, могут экономить от 120 000 до 180 000 долларов США за каждый установленный мегаватт-час, поскольку им реже приходится заменять оборудование и меньше средств тратится на охлаждение.

Компромиссы между плотностью энергии, занимаемой площадью и отдаваемой мощностью

Влияние объёмной и удельной плотности на коммерческие установки с ограниченным пространством

При проектировании коммерческих систем хранения энергии на основе аккумуляторов ключевое значение имеет количество энергии, умещаемое в одном литре объёма: именно это определяет реальную техническую осуществимость решения. Особенно это актуально для городских условий, где каждый квадратный фут имеет значение — например, в торговых центрах или крупных складских комплексах. Сравним батареи на основе NMC и LFP. Аккумуляторы NMC обеспечивают на 30–50 % большую энергоёмкость в том же объёме: примерно 350–500 Вт·ч/л по сравнению с 200–300 Вт·ч/л у LFP. Это создаёт принципиальную разницу при размещении оборудования в стеснённых условиях. Что касается удельной плотности (энергии на килограмм массы), то она влияет на необходимый уровень конструктивной поддержки. Однако на практике вес системы редко вызывает озабоченность при монтаже, поскольку такие системы, как правило, устанавливаются стационарно.

Когда речь заходит о монтаже солнечных панелей на существующих зданиях или о модернизации объектов, где попросту нет дополнительного места для работы, батареи на основе NMC зачастую представляют собой более разумный выбор по сравнению с LFP, несмотря на их более высокую совокупную стоимость владения. Согласно исследованию, опубликованному в прошлом году в отношении систем электросетей, для размещения аккумуляторов LFP требуется на 25–40 % больше площади по сравнению с батареями NMC при одинаковой ёмкости хранения энергии. Это приводит к увеличению затрат на установку примерно на 15–30 долларов США за киловатт-час, поскольку все остальные компоненты становятся дороже при распределении их по большей площади. Тем не менее стоит отметить, что литий-железо-фосфатные (LFP) решения остаются весьма конкурентоспособными для заводов и новых строительных проектов, где в наличии имеется достаточно свободной площади, и габариты аккумуляторов не являются ограничивающим фактором. В течение всего срока эксплуатации такие преимущества, как повышенная безопасность, более длительный срок службы и меньшие текущие расходы на техническое обслуживание, обеспечивают LFP реальные ценности, которые накапливаются со временем.

Часто задаваемые вопросы

В чём основные различия в термостойкости между аккумуляторами LFP и NMC?

У батарей LFP более высокая температура термического разгона — около 270 °C по сравнению с 150–200 °C у батарей NMC. Элементы LFP выделяют примерно на 80 % меньше воспламеняющегося газа и отдают тепло медленнее, что делает их безопаснее в стационарных системах хранения энергии на основе электромобилей (BESS).

Как батареи LFP влияют на общие эксплуатационные расходы (OPEX)?

Благодаря превосходной термической стабильности батареи LFP требуют менее сложных систем охлаждения и мер безопасности. В результате эксплуатационные расходы снижаются на 30–50 % по сравнению с системами на основе NMC.

Как срок службы батарей LFP в режиме частичного заряда (PSOC) соотносится со сроком службы батарей NMC?

При эксплуатации в условиях частичного заряда (PSOC) батареи LFP теряют ёмкость примерно вдвое медленнее, чем батареи NMC: после 4000 циклов они сохраняют более 80 % ёмкости, тогда как батареи NMC при аналогичных условиях сохраняют более 80 % ёмкости лишь после 2000 циклов.

Какова роль стоимости сырья в цепочках поставок батарей LFP и NMC?

В аккумуляторах LFP используются широко распространённые железо и фосфат, что позволяет избежать этических и экономических проблем, связанных с кобальтом, применяемым в аккумуляторах NMC. В результате стоимость сырья для аккумуляторов LFP снижается на 30 %.

Какой тип аккумуляторов лучше подходит для установок в условиях ограниченного пространства?

Для объектов с ограниченным пространством предпочтительнее использовать аккумуляторы NMC благодаря их более высокой объёмной и удельной энергоплотности, несмотря на более высокую совокупную стоимость владения.