Bezpečnosť a tepelná stabilita v stacionárnych systémoch BESS

Teplota začiatku tepelnej degradácie a správanie sa šírenia tepelnej degradácie: LFP vs NMC

Ak ide o tepelnú stabilitu, batérie typu lithium-železo-fosfát (LFP) sa vyznačujú v porovnaní s batériami na báze niklu-mangánu-kobaltu (NMC), čo ich robí výrazne bezpečnejšími pre použitie v stacionárnych systémoch akumulácie elektrickej energie (BESS). Termický rozbeh u batérií LFP nastáva približne pri teplote 270 °C, čo je výrazne vyššia hodnota ako rozsah 150–200 °C, v ktorom začínajú batérie NMC zlyhávať. Tento rozdiel je spôsobený silnejšími fosfát-oxidovými väzbami v batériách LFP a minimálnym uvoľňovaním kyslíka pri ich rozklade. Aký je reálny prínos? Bunky LFP produkujú približne o 80 % menej horľavých plynov ako ich protikusy a pri vzniku poruchy uvoľňujú teplo rýchlosťou 5 °C za sekundu alebo pomalšie, čo zabraňuje ľahkému šíreniu požiaru z jednej bunky na druhú. Na druhej strane batérie NMC vykazujú rýchlo sa šíriace spaľovacie reakcie a uvoľňujú plyny, ktoré vyžadujú viacvrstvové opatrenia na ochranu, vrátane napríklad kvapalinových chladiacich systémov, vhodných vetracích zariadení a dokonca aj mechanizmov na potláčanie požiarov, aby sa zabránilo reťazovým reakciám po prehriatí jedinej bunky.

Dôsledky na úrovni systému: Ako zložitosť tepelnej správy ovplyvňuje spoľahlivosť a prevádzkové výdavky (OPEX)

Tepelná stabilita zabudovaná do LFP činí správu tepla výrazne jednoduchšou a všeobecne vedie k vyššej spoľahlivosti v priebehu času. Väčšina inštalácií NMC vyžaduje zložité systémy kvapalného chladenia spolu s dodatočnými bezpečnostnými opatreniami len na predchádzanie nebezpečnému prehrievaniu. Naopak, úložné riešenia na báze LFP často fungujú dobre aj s jednoduchými metódami chladenia vzduchom alebo dokonca so základnými okruhmi kvapalného chladenia. Tieto rozdiely sa prejavujú v reálnych úsporách nákladov. Čísla jasne hovoria za seba – systémy NMC vykazujú prevádzkové náklady o 30 až 50 percent vyššie, pretože spotrebujú veľké množstvo energie na chladenie, obsahujú komponenty, ktoré vyžadujú neustálu pozornosť, a zahŕňajú všetky tieto redundatné bezpečnostné prvky. Skutočné testovanie v reálnych podmienkach ukazuje, že nastavenia na báze LFP majú približne o 20 percent menej neočakávaných vypnutí a medzi povinnými údržbovými kontrolami vydržia dlhšie. Pre zariadenia, kde zlyhanie systému nie je možnosťou a presné rozpočtové plánovanie má veľký význam, tieto výkonné charakteristiky robia batérie LFP výraznou voľbou z hľadiska praktickosti, napriek tomu, čo niektorí môžu považovať za ich obmedzenia.

Poznámka: Vonkajšie odkazy neboli zahrnuté, pretože žiadne autoritatívne zdroje (autoritatívne=true) nespĺňali kritériá relevantnosti podľa globálnych pravidiel.

Životnosť cyklov a dlhodobé degradácie v reálnych systémoch ukladania energie

Degradácia pri cyklovaní v čiastkovom stave nabitia (napr. vlastná spotreba solárnej energie, obchodovanie s energiou na sieti)

Ak ide o cyklovanie pri čiastkovom stave nabitia – čo sa v solárnych elektrárňach a systémoch na ukladanie energie do siete vyskytuje neustále – batérie typu lithium-železo-fosfát (LFP) sa výrazne odlišujú od alternatívnych batérií na báze niklu, mangánu a kobaltu (NMC). Väčšina týchto aplikácií odoberá energiu iba čiastočne, pričom počas celého prevádzkového cyklu sa zvyčajne udržiava medzi 20 % a 80 % nabitia. Takýto režim používania vyvíja veľmi malé zaťaženie na stabilnej olivínovej štruktúre, ktorá tvorí katódy LFP batérií. Ak sa pozrieme na skutočné výkonné údaje, LFP batérie stratia kapacitu približne polovičnou rýchlosťou v porovnaní s batériami NMC za podobných podmienok čiastkového stava nabitia (PSOC). Podľa správy BloombergNEF z roku 2023 bude mať LFP batéria po 4 000 cykloch nabíjania pri hĺbke vybitia 50 % stále viac ako 80 % svojej pôvodnej kapacity, zatiaľ čo väčšina batérií NMC dosiahne tento istý ukazovateľ už po približne 2 000 cykloch. Situácia sa pre batérie NMC ešte viac zhoršuje v prípadoch, keď sú neustále nabíjané a vybíjané malými prírastkami. Ich vrstvená oxidová katódna štruktúra má tendenciu časom prasknúť, najmä preto, že majú strmší napäťový priebeh a reagujú výraznejšie na zmeny okolitej teploty.

Údaje o výkone v reálnych podmienkach (2020–2024): Mediánne použiteľné životné trvanie LFP oproti NMC v domácich a komerčných a priemyselných BESS

Skutočné údaje z 12 000 inštalácií (2020–2024) potvrdzujú výhodu LFP z hľadiska životnosti vo všetkých aplikačných segmentoch:

*Definované ako počet rokov do dosiahnutia retencie kapacity 80 %

Rozdiely medzi systémami pre komerčné a priemyselné (C&I) aplikácie sa stávajú skutočne zreteľné, pretože tieto systémy sa častejšie cyklujú a sú neustále vystavené kolísaniu teplôt. U batérií typu NMC ich závislosť od kobaltu spôsobuje, že sa začínajú rýchlejšie degradovať, ak teplota presiahne 25 °C. Reálne testovanie ukazuje, že tieto batérie každý rok stratia približne 2,1 % svojej kapacity, kým batérie typu LFP v normálnych klimatických podmienkach stratia len 1,2 %. Pri pohľade na obdobie pätnástich rokov to znamená, že batérie typu LFP je potrebné vymeniť o 40 % menej často ako batérie typu NMC, čo viedlo k úspore nákladov na nové batérie aj k úspore času stráveného údržbou systémov. Okrem toho batérie typu LFP lepšie vydržiavajú vysoké teploty, a preto majú dlhšiu životnosť v tesných priestoroch, kde je buď nemožné, alebo príliš drahé nainštalovať vhodné chladiace systémy.

Celkové náklady na vlastníctvo: Kapitálové náklady, LCOE a ekonomika materiálov

NMC závislé od kobaltu vs. LFP bohaté na železo-fosfát: Náklady na suroviny a odolnosť dodávateľského reťazca

Dodávateľské reťazce pre batérie typu NMC majú niektoré vážne problémy s ohľadom na stabilitu, najmä kvôli veľmi nepredvídateľným cenám kobaltu a politickej situácii v krajinách, z ktorých pochádza väčšina svetového kobaltu. Pozrite sa napríklad na vývoj cien kobaltu – podľa údajov spoločnosti Benchmark Mineral Intelligence z minulého roka sa ceny v období od roku 2020 do roku 2024 zvýšili viac ako o tri stotiny percent. Takéto extrémne kolísanie výrazne komplikuje výrobcom plánovanie ich rozpočtov. Na druhej strane technológia LFP tieto problémy úplne obchádza, pretože používa železo a fosfát. Tieto suroviny sú po celom svete ľahšie dostupné a už existuje dobre zavedená ťažobná infraštruktúra, ktorá nevyvoláva príliš veľa etických výhrad. Zhrnutie? Spoločnosti môžu ušetriť približne tridsať percent na nákladoch na suroviny a zároveň sa vyhnú tým zložitým etickým otázkam spojeným s malými ťažobnými prevádzkami kobaltu. Podľa správy spoločnosti Wood Mackenzie z roku 2023 dodávateľské reťazce LFP sú v porovnaní s NMC približne o štyridsať percent menej zraniteľné voči politickej nestabilité. Táto znížená zraniteľnosť poskytuje investorom väčší pokoj vzhľadom na vyhliadky dlhodobého financovania a zároveň zaisťuje, že potrebné komponenty budú skutočne k dispozícii v príslušnom čase.

Porovnanie vyrovnaných nákladov na elektrinu (LCOE) počas desaťročnej životnosti systému

LFP batérie zvyčajne vykazujú nižšie vyrovnané náklady na elektrinu (LCOE), ktoré merajú, koľko stojí výroba každého kilowatt-hodiny v čase, aj keď ich počiatočná cena je o niečo vyššia. Áno, NMC batérie sú počiatočne lacnejšie približne o 15 až 20 percent. Avšak pri podrobnejšom pohľade LFP batérie vydržia dlhšie – približne 6 000 cyklov v porovnaní s približne 4 000 cyklami u NMC batérií. Okrem toho sa LFP batérie pomalšie degradujú pri prevádzke v čiastočnom stave nabitia a nepotrebujú tak intenzívnu tepelnú správu. Podľa výskumu NREL publikovaného minulý rok sa ukázalo, že pri veľkorozmernej sieťovej úložnej technológii sa po desiatich rokoch dosahuje u LFP batérií o 10 až 15 percent lepšie hodnoty LCOE. V praxi to znamená, že podniky, ktoré inštalujú systémy batériového úložiska energie, môžu ušetriť od 120 000 do 180 000 dolárov za megawatt-hodinu nainštalovanej kapacity, pretože ich systémy nahradzujú menej často a utrácajú menej na požiadavky na chladenie.

Kompromisy medzi energetickou hustotou, priestorovým zabratím a dodávkou výkonu

Vplyv objemovej a hmotnostnej hustoty na komerčné inštalácie s obmedzeným priestorom

Pri komerčných systémoch akumulácie energie v batériách je množstvo energie uloženej v každom litri rozhodujúce pre to, či je dané riešenie v skutočnosti realizovateľné. To platí najmä v mestách, kde každý štvorcový meter má význam – napríklad v nákupných centrách alebo veľkých skladových zariadeniach. Porovnajme si batérie typu NMC a LFP. Batérie NMC ukladajú o 30 až 50 percent viac energie do rovnakého objemu. Ide približne o 350 až 500 Wh/l oproti len 200 až 300 Wh/l u batérií LFP. To predstavuje obrovský rozdiel pri umiestňovaní týchto systémov do priestorovo obmedzených miest. Hmotnostná hustota, ktorá meria množstvo energie na kilogram, ovplyvňuje aj to, aká pevná konštrukcia môže byť potrebná na upevnenie systému. Avšak väčšina používateľov sa váhe príliš nezaoberá, keďže tieto systémy sú zvyčajne pevne namontované.

Keď ide o inštaláciu slnečných panelov na existujúce budovy alebo o rekonštrukcie, pri ktorých jednoducho nie je k dispozícii žiadny dodatočný priestor na prácu, batérie typu NMC často dávajú väčší zmysel ako batérie typu LFP napriek ich vyššiemu celkovému nákladu na vlastníctvo. Podľa výskumu zverejneného minulý rok o sieťových systémoch je pre nasadenie batérií typu LFP potrebné až o 25 až takmer 40 percent viac miesta na rovnaké množstvo uloženej energie. To sa prejavuje približne dodatočnými nákladmi vo výške 15 až 30 dolárov za kilowatthodinu pri inštalácii, pretože všetko ostatné sa stáva drahším, ak sa rozširuje na väčšie plochy. Stále však stojí za zmienku, že možnosti s lithium-železo-fosfátom (LFP) zostávajú veľmi silnými kandidátmi pre továrne a nové rozvojové projekty, kde je k dispozícii dostatok voľného pozemku, čo robí veľkosť menej problematickou. Počas rokov prevádzky tieto vlastnosti týkajúce sa bezpečnosti, dlhšia životnosť a nižšie náklady na pravidelnú údržbu poskytujú batériám LFP skutočné hodnotové ponuky, ktoré sa postupne navyšujú.

Často kladené otázky

Aké sú hlavné rozdiely v tepelnej stability medzi batériami LFP a NMC?

LFP batérie majú vyššiu teplotu tepelnej dekompozície približne 270 °C oproti 150–200 °C u batérií NMC. LFP články produkujú približne o 80 % menej horľavého plynu a uvoľňujú teplo pomalšie, čo ich v stacionárnych systémoch BESS robí bezpečnejšími.

Ako ovplyvňujú LFP batérie celkové prevádzkové náklady (OPEX)?

Vzhľadom na svoju vynikajúcu tepelnú stabilitu vyžadujú LFP batérie menej zložité chladiace systémy a bezpečnostné opatrenia. To má za následok zníženie prevádzkových nákladov o 30–50 % v porovnaní so systémami NMC.

Ako sa porovnáva životnosť cyklov LFP batérií s batériami NMC v režimoch čiastkového nabitia (PSOC)?

Pri podmienkach čiastkového nabitia (PSOC) LFP batérie stratia kapacitu približne polovičnou rýchlosťou v porovnaní s batériami NMC a po 4 000 cykloch si zachovajú viac ako 80 % kapacity, kým batérie NMC dosiahnu rovnakú úroveň kapacity len po 2 000 cykloch za podobných podmienok.

Aký je vplyv nákladov na suroviny na dodávateľské reťazce LFP a NMC?

LFP batérie využívajú hojne sa vyskytujúci železo a fosfát, čím sa vyhýbajú etickým a ekonomickým problémom spojeným s používaním kobaltu v batériách NMC. To má za následok zníženie nákladov na suroviny pre LFP batérie o 30 %.

Ktorý typ batérie je vhodnejší pre inštalácie s obmedzeným priestorom?

Pre miesta s obmedzeným priestorom sú vhodnejšie batérie NMC vzhľadom na ich vyššiu objemovú a hmotnostnú hustotu, napriek vyšším celkovým nákladom na vlastníctvo.