ความปลอดภัยและเสถียรภาพเชิงความร้อนในระบบเก็บพลังงานแบบคงที่ (Stationary BESS)

อุณหภูมิเริ่มต้นของการลุกลามอย่างรวดเร็วของความร้อน (thermal runaway onset temperature) และพฤติกรรมการลุกลาม: LFP เทียบกับ NMC

เมื่อพิจารณาถึงความเสถียรทางความร้อน แบตเตอรี่ลิเธียมเฟอร์โรฟอสเฟต (LFP) มีข้อได้เปรียบเหนือแบตเตอรี่นิกเกิล-แมงกานีส-โคบอลต์ (NMC) อย่างชัดเจน จึงมีความปลอดภัยมากกว่าสำหรับการใช้งานในระบบจัดเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่แบบคงที่ (BESS) ปรากฏการณ์ thermal runaway เกิดขึ้นที่อุณหภูมิประมาณ 270 องศาเซลเซียส สำหรับแบตเตอรี่ LFP ซึ่งสูงกว่าช่วงอุณหภูมิ 150–200 องศาเซลเซียสอย่างมาก ซึ่งเป็นช่วงที่แบตเตอรี่ NMC เริ่มเสื่อมสภาพ ความแตกต่างนี้เกิดจากพันธะฟอสเฟต-ออกซิเจนที่แข็งแรงกว่าในแบตเตอรี่ LFP และการปลดปล่อยออกซิเจนเพียงเล็กน้อยเมื่อวัสดุย่อยสลายตัว ผลประโยชน์ที่เห็นได้จริงคือ เซลล์ LFP สร้างก๊าซติดไฟได้น้อยกว่าประมาณ 80% เมื่อเทียบกับเซลล์ชนิดอื่น และปลดปล่อยความร้อนด้วยอัตราไม่เกิน 5 องศาเซลเซียสต่อวินาที เมื่อเกิดความผิดปกติ ทำให้ไฟไหม้ไม่ลุกลามจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์ได้ง่ายนัก ตรงข้าม แบตเตอรี่ NMC มีปฏิกิริยาเผาไหม้ที่รวดเร็วและปลดปล่อยก๊าซที่จำเป็นต้องใช้มาตรการป้องกันหลายชั้น เช่น ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว การจัดวางระบบระบายอากาศที่เหมาะสม รวมถึงกลไกการดับเพลิง เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่หลังจากที่เซลล์ใดเซลล์หนึ่งร้อนจัดเกินไป

ผลกระทบในระดับระบบ: ความซับซ้อนของการจัดการความร้อนส่งผลต่อความน่าเชื่อถือและค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน (OPEX) อย่างไร

ความเสถียรทางความร้อนที่ฝังอยู่ในแบตเตอรี่ LFP ทำให้จัดการปัญหาการควบคุมอุณหภูมิได้ง่ายกว่ามาก และโดยทั่วไปส่งผลให้มีความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้นตามระยะเวลาการใช้งาน ระบบแบตเตอรี่ NMC ส่วนใหญ่จำเป็นต้องใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวที่ซับซ้อน พร้อมมาตรการความปลอดภัยเพิ่มเติม เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดภาวะร้อนจัดที่อาจเป็นอันตราย แต่โซลูชันระบบจัดเก็บพลังงานจากแบตเตอรี่แบบ LFP มักทำงานได้ดีแม้ใช้วิธีระบายความร้อนด้วยอากาศแบบง่ายๆ หรือแม้แต่ระบบรอบการระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบพื้นฐานเท่านั้น ความแตกต่างเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อการประหยัดค่าใช้จ่ายจริง ตัวเลขบ่งชี้อย่างชัดเจนว่า ระบบ NMC มีค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานสูงกว่าถึง 30–50 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากต้องใช้พลังงานสำหรับระบบระบายความร้อนจำนวนมาก มีชิ้นส่วนที่ต้องตรวจสอบและบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอ รวมทั้งมีฟีเจอร์ความปลอดภัยสำรองที่ซ้ำซ้อนหลายรายการ การทดสอบในสภาพแวดล้อมจริงแสดงให้เห็นว่า ระบบ LFP มีโอกาสหยุดทำงานโดยไม่คาดหมายน้อยลงประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ และระยะเวลาระหว่างการบำรุงรักษาตามกำหนดยาวนานขึ้น สำหรับสถาน facility ที่การล้มเหลวของระบบไม่สามารถยอมรับได้ และการคาดการณ์งบประมาณมีความสำคัญอย่างยิ่ง ลักษณะประสิทธิภาพเหล่านี้ทำให้แบตเตอรี่ LFP โดดเด่นในฐานะทางเลือกที่เหมาะสมในทางปฏิบัติ แม้ผู้คนบางส่วนอาจมองว่ามีข้อจำกัดอยู่ก็ตาม

หมายเหตุ: ไม่ได้รวมลิงก์ภายนอกเนื่องจากไม่มีแหล่งข้อมูลที่น่าเชื่อถือ (authoritative=true) ซึ่งสอดคล้องกับเกณฑ์ความเกี่ยวข้องตามกฎระเบียบระดับโลก

อายุการใช้งานแบบวงจรและการเสื่อมสภาพในระยะยาวของระบบจัดเก็บพลังงานในสภาพแวดล้อมจริง

การเสื่อมสภาพภายใต้การชาร์จ-คายประจุแบบบางส่วน (เช่น การใช้พลังงานแสงอาทิตย์สำหรับบริโภคภายในบ้าน การซื้อขายพลังงานกับโครงข่ายไฟฟ้า)

เมื่อพูดถึงการใช้งานแบตเตอรี่ในสภาวะที่ชาร์จไม่เต็ม (Partial State of Charge: PSOC) — ซึ่งเป็นสิ่งที่เราพบเห็นได้บ่อยมากในระบบพลังงานแสงอาทิตย์และระบบเก็บพลังงานสำหรับโครงข่ายไฟฟ้า (grid storage setups) — แบตเตอรี่ลิเทียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) โดดเด่นกว่าทางเลือกอื่นๆ อย่างแบตเตอรี่นิกเกิล-แมงกานีส-โคบอลต์ (NMC) อย่างชัดเจน แอปพลิเคชันส่วนใหญ่เหล่านี้ดึงพลังงานเพียงบางส่วนเท่านั้น โดยปกติจะรักษาสถานะการชาร์จไว้ระหว่าง 20% ถึง 80% ตลอดวงจรการใช้งาน รูปแบบการใช้งานเช่นนี้ก่อให้เกิดแรงกดดันต่อโครงสร้างโอลิวีน (olivine) ที่มีความเสถียรซึ่งประกอบเป็นคาโทดของแบตเตอรี่ LFP น้อยมาก เมื่อพิจารณาจากตัวเลขประสิทธิภาพจริง แบตเตอรี่ LFP มักสูญเสียความจุในอัตราประมาณครึ่งหนึ่งของแบตเตอรี่ NMC ภายใต้สภาวะ PSOC ที่เทียบเคียงกัน ตามรายงานของ BloombergNEF ประจำปี 2023 แบตเตอรี่ LFP จะยังคงมีความจุมากกว่า 80% ของค่าเริ่มต้นหลังผ่านกระบวนการชาร์จ-ปล่อยประจุครบ 4,000 รอบ ที่ระดับความลึกของการปล่อยประจุ (Depth of Discharge: DoD) ที่ 50% ขณะที่แบตเตอรี่ NMC ส่วนใหญ่จะถึงค่าความจุที่เหลือ 80% นี้หลังผ่านการชาร์จ-ปล่อยประจุเพียงประมาณ 2,000 รอบเท่านั้น สถานการณ์ยิ่งแย่ลงสำหรับแบตเตอรี่ NMC ในกรณีที่ถูกชาร์จและปล่อยประจุซ้ำๆ อย่างต่อเนื่องในปริมาณเล็กน้อย เนื่องจากโครงสร้างคาโทดแบบออกไซด์ชั้น (layered oxide cathode) มีแนวโน้มจะแตกร้าวตามกาลเวลา โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพราะมีลักษณะเส้นโค้งแรงดัน (voltage curve) ที่ชันกว่า และตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิแวดล้อมได้รุนแรงกว่ามาก

ข้อมูลประสิทธิภาพในสนาม (2020–2024): อายุการใช้งานที่ใช้งานได้จริงเฉลี่ยของแบตเตอรี่ LFP เทียบกับ NMC สำหรับระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่แบบใช้ในครัวเรือนและเชิงพาณิชย์/อุตสาหกรรม (BESS)

ข้อมูลจากโลกแห่งความเป็นจริงจากโครงการติดตั้งจำนวน 12,000 แห่ง (2020–2024) ยืนยันว่าแบตเตอรี่ LFP มีข้อได้เปรียบด้านอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าในทุกกลุ่มการใช้งาน:

*นิยามว่าเป็นจำนวนปีจนถึงจุดที่ความสามารถในการเก็บประจุลดลงเหลือ 80%

ความแตกต่างระหว่างระบบ C&I จะเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้น เนื่องจากระบบเหล่านี้มีการใช้งานแบบไซเคิลบ่อยขึ้น และถูกสัมผัสกับอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา สำหรับแบตเตอรี่ NMC ซึ่งพึ่งพาโคบอลต์เป็นหลัก จึงเริ่มเสื่อมสภาพเร็วขึ้นทันทีที่อุณหภูมิเกิน 25 องศาเซลเซียส การทดสอบในโลกจริงแสดงให้เห็นว่า แบตเตอรี่เหล่านี้สูญเสียความจุประมาณ 2.1% ต่อปี เมื่อเทียบกับเพียง 1.2% ของแบตเตอรี่ LFP ในสภาวะภูมิอากาศปกติ เมื่อพิจารณาในระยะเวลานาน 15 ปี นี่หมายความว่า แบตเตอรี่ LFP จำเป็นต้องเปลี่ยนน้อยลงถึง 40% เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ NMC ซึ่งช่วยลดค่าใช้จ่ายในการจัดหาแบตเตอรี่ใหม่ รวมทั้งลดเวลาที่สูญเสียไปจากการบำรุงรักษาระบบ นอกจากนี้ แบตเตอรี่ LFP ยังทนต่อความร้อนได้ดีกว่า จึงมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นในพื้นที่จำกัด ซึ่งอาจไม่สามารถติดตั้งระบบระบายความร้อนที่เหมาะสมได้ หรือมีต้นทุนสูงเกินไป

ต้นทุนรวมตลอดอายุการใช้งาน: ต้นทุนเงินลงทุน, ต้นทุนพลังงานต่อหน่วย (LCOE), และเศรษฐศาสตร์วัสดุ

NMC ที่พึ่งพาโคบอลต์ กับ LFP ที่มีธาตุเหล็กและฟอสเฟตอุดมสมบูรณ์: ต้นทุนวัตถุดิบและความแข็งแกร่งของห่วงโซ่อุปทาน

ห่วงโซ่อุปทานสำหรับแบตเตอรี่ชนิด NMC มีปัญหาความไม่เสถียรที่ค่อนข้างรุนแรง โดยส่วนใหญ่เกิดจากความผันผวนของราคาโคบอลต์ที่คาดการณ์ได้ยาก และแหล่งที่มาของโคบอลต์ส่วนใหญ่ทั่วโลกซึ่งมีปัจจัยทางการเมืองที่ซับซ้อน ลองพิจารณาแนวโน้มราคาโคบอลต์—ตามข้อมูลจาก Benchmark Mineral Intelligence ปีที่ผ่านมา ราคาโคบอลต์ผันผวนอย่างรุนแรง โดยเพิ่มขึ้นมากกว่าสามร้อยเปอร์เซ็นต์ระหว่างปี 2020 ถึง 2024 ความผันผวนแบบนี้ทำให้ผู้ผลิตวางแผนงบประมาณได้ยากอย่างยิ่ง กลับกัน เทคโนโลยี LFP หลีกเลี่ยงปัญหาเหล่านี้ได้อย่างสิ้นเชิง เนื่องจากใช้ธาตุเหล็กและฟอสเฟตแทน วัตถุดิบเหล่านี้หาง่ายกว่ามากในภูมิภาคต่าง ๆ ทั่วโลก และยังมีโครงสร้างพื้นฐานด้านการขุดแร่ที่พัฒนาอย่างดีอยู่แล้ว ซึ่งไม่ก่อให้เกิดข้อกังวลเชิงจริยธรรมอย่างรุนแรง สรุปแล้ว บริษัทต่าง ๆ สามารถประหยัดต้นทุนวัตถุดิบได้ประมาณร้อยละสามสิบ ขณะเดียวกันก็หลีกเลี่ยงคำถามเชิงจริยธรรมที่ซับซ้อนเกี่ยวกับการดำเนินงานเหมืองโคบอลต์ขนาดเล็กได้ด้วย รายงานของ Wood Mackenzie เมื่อปี 2023 ระบุว่า ห่วงโซ่อุปทานของ LFP มีความเสี่ยงจากความไม่เสถียรทางการเมืองน้อยกว่าห่วงโซ่อุปทานของ NMC ประมาณร้อยละสี่สิบ ความเปราะบางที่ลดลงนี้ช่วยให้นักลงทุนมีความมั่นใจมากขึ้นต่อโอกาสในการระดมทุนระยะยาว และยังรับประกันว่าชิ้นส่วนต่าง ๆ จะมีพร้อมใช้งานจริงเมื่อจำเป็น

การเปรียบเทียบต้นทุนเฉลี่ยต่อหน่วยพลังงานไฟฟ้า (LCOE) ตลอดอายุการใช้งานของระบบ 10 ปี

แบตเตอรี่ชนิด LFP มักมีต้นทุนเฉลี่ยต่อหน่วยพลังงานไฟฟ้า (LCOE) ที่ต่ำกว่า ซึ่งเป็นตัวชี้วัดต้นทุนในการผลิตไฟฟ้าแต่ละกิโลวัตต์-ชั่วโมงในระยะยาว แม้ว่าจะมีราคาเริ่มต้นสูงกว่าเล็กน้อยก็ตาม แน่นอนว่า แบตเตอรี่ชนิด NMC มีราคาถูกกว่าในตอนแรกประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ แต่เมื่อพิจารณาอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น จะพบว่าแบตเตอรี่ LFP มีอายุการใช้งานยาวนานกว่า โดยสามารถชาร์จ-คายประจุได้ประมาณ 6,000 รอบ เทียบกับแบตเตอรี่ NMC ที่ทำได้เพียงประมาณ 4,000 รอบ นอกจากนี้ แบตเตอรี่ LFP ยังเสื่อมสภาพช้ากว่าในระหว่างการใช้งานที่ไม่เต็มกำลัง (partial state of charge) และไม่จำเป็นต้องใช้ระบบจัดการความร้อนอย่างเข้มข้นเท่ากับ NMC ตามผลการวิจัยจากสถาบันพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติสหรัฐอเมริกา (NREL) ที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้ว แบตเตอรี่ LFP ให้ค่า LCOE ที่ดีกว่า 10 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ หลังใช้งานเป็นเวลา 10 ปี ในการจัดเก็บพลังงานสำหรับโครงข่ายไฟฟ้าขนาดใหญ่ ในทางปฏิบัติ บริษัทต่างๆ ที่ติดตั้งระบบจัดเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่สามารถประหยัดค่าใช้จ่ายได้ระหว่าง 120,000 ถึง 180,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ ต่อเมกะวัตต์-ชั่วโมงที่ติดตั้ง เนื่องจากพวกเขาต้องเปลี่ยนระบบบ่อยน้อยลงและใช้จ่ายน้อยลงสำหรับความต้องการระบบระบายความร้อน

ข้อแลกเปลี่ยนระหว่างความหนาแน่นพลังงาน พื้นที่ครอบครอง และการส่งมอบกำลัง

ผลกระทบของความหนาแน่นเชิงปริมาตรและเชิงมวลต่อการติดตั้งระบบจัดเก็บพลังงานเชิงพาณิชย์ที่มีข้อจำกัดด้านพื้นที่

เมื่อพูดถึงระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์ ปริมาณพลังงานที่บรรจุได้ต่อลิตรมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความเป็นไปได้ในการใช้งานจริง ซึ่งเป็นเรื่องที่สำคัญยิ่งในเขตเมืองที่แต่ละตารางฟุตมีค่ามาก เช่น ภายในห้างสรรพสินค้าหรือศูนย์กระจายสินค้าขนาดใหญ่ ลองเปรียบเทียบแบตเตอรี่ชนิด NMC กับแบตเตอรี่ชนิด LFP ดูสิ แบตเตอรี่ NMC สามารถบรรจุพลังงานได้มากกว่าถึง 30–50 เปอร์เซ็นต์ในพื้นที่เดียวกัน กล่าวคือ มีค่าประมาณ 350–500 วัตต์-ชั่วโมงต่อลิตร เมื่อเทียบกับเพียง 200–300 วัตต์-ชั่วโมงต่อลิตรของแบตเตอรี่ LFP ซึ่งทำให้เกิดความแตกต่างอย่างมากเมื่อต้องติดตั้งอุปกรณ์ทั้งหมดลงในพื้นที่จำกัด ส่วนความหนาแน่นเชิงมวล (ซึ่งวัดพลังงานต่อกิโลกรัม) อาจส่งผลต่อปริมาณโครงสร้างรองรับที่จำเป็น แต่โดยทั่วไปแล้ว ผู้ใช้งานส่วนใหญ่ไม่กังวลกับน้ำหนักมากนักในการติดตั้งระบบนี้ เนื่องจากโดยปกติแล้วระบบเหล่านี้จะถูกติดตั้งคงที่ไว้กับสถานที่อยู่แล้ว

เมื่อพิจารณาการติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์บนอาคารที่มีอยู่แล้ว หรือการปรับปรุงระบบ (retrofit) ที่ไม่มีพื้นที่ว่างเพิ่มเติมให้ใช้งานเลย แบตเตอรี่ชนิด NMC มักมีความเหมาะสมมากกว่าแบตเตอรี่ชนิด LFP แม้ต้นทุนรวมตลอดอายุการใช้งาน (total cost of ownership) จะสูงกว่าก็ตาม ตามผลการวิจัยที่ตีพิมพ์เมื่อปีที่ผ่านมาเกี่ยวกับระบบโครงข่ายไฟฟ้า (grid systems) การติดตั้งแบตเตอรี่ LFP จำเป็นต้องใช้พื้นที่มากขึ้นถึง 25 ถึงเกือบ 40 เปอร์เซ็นต์ เพื่อเก็บพลังงานในปริมาณเท่ากัน ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนการติดตั้งเพิ่มขึ้นประมาณ 15 ถึง 30 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมง เนื่องจากค่าใช้จ่ายอื่นๆ ทั้งหมดก็จะสูงขึ้นตามไปด้วยเมื่อต้องกระจายออกบนพื้นที่ขนาดใหญ่ขึ้น อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตไว้ด้วยว่า แบตเตอรี่ลิเธียมเฟอโรฟอสเฟต (LFP) ยังคงเป็นตัวเลือกที่แข็งแกร่งมากสำหรับโรงงานอุตสาหกรรมและโครงการพัฒนาใหม่ๆ ที่มีพื้นที่ว่างเพียงพอ ทำให้ขนาดของแบตเตอรี่ไม่ใช่ประเด็นสำคัญ ตลอดระยะเวลาการใช้งานหลายปี คุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่เหนือกว่า ระยะเวลารับประกันการใช้งานที่ยาวนานขึ้น และค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาที่ต่ำลง ล้วนสร้างมูลค่าที่แท้จริงให้กับแบตเตอรี่ LFP อย่างต่อเนื่อง

คำถามที่พบบ่อย

ความแตกต่างหลักระหว่างแบตเตอรี่ LFP กับ NMC ด้านเสถียรภาพทางความร้อนคืออะไร

แบตเตอรี่ LFP มีอุณหภูมิที่เกิดการลุกลามของความร้อน (thermal runaway) สูงกว่า อยู่ที่ประมาณ 270 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ NMC ซึ่งอยู่ที่ 150–200 องศาเซลเซียส แบตเตอรี่ LFP ปล่อยก๊าซที่ติดไฟได้น้อยลงประมาณ 80% และปล่อยความร้อนด้วยอัตราที่ช้ากว่า ทำให้มีความปลอดภัยมากขึ้นในระบบจัดเก็บพลังงานแบบคงที่ (stationary BESS)

แบตเตอรี่ LFP ส่งผลกระทบต่อค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานโดยรวม (OPEX) อย่างไร?

เนื่องจากมีเสถียรภาพทางความร้อนเหนือกว่า แบตเตอรี่ LFP จึงต้องการระบบที่ใช้ในการระบายความร้อนและมาตรการด้านความปลอดภัยที่ซับซ้อนน้อยลง ส่งผลให้ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานต่ำกว่า 30–50% เมื่อเทียบกับระบบ NMC

อายุการใช้งานแบบจำนวนรอบ (cycle life) ของแบตเตอรี่ LFP เปรียบเทียบกับ NMC ในสถานการณ์ที่ชาร์จไม่เต็ม (partial-state-of-charge: PSOC) เป็นอย่างไร?

แบตเตอรี่ LFP สูญเสียความจุในอัตราประมาณครึ่งหนึ่งของ NMC เมื่อใช้งานภายใต้เงื่อนไข PSOC โดยยังคงรักษาความจุไว้ได้มากกว่า 80% หลังผ่านการชาร์จ-คายประจุครบ 4,000 รอบ เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ NMC ที่รักษาความจุได้เพียง 80% หลังผ่าน 2,000 รอบภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน

ต้นทุนวัตถุดิบส่งผลกระทบต่อห่วงโซ่อุปทานของแบตเตอรี่ LFP กับ NMC อย่างไร?

แบตเตอรี่ชนิด LFP ใช้ธาตุเหล็กและฟอสเฟตซึ่งมีอยู่อย่างทั่วไป จึงหลีกเลี่ยงปัญหาด้านจริยธรรมและเศรษฐกิจที่เกิดจากการใช้โคบอลต์ในแบตเตอรี่ชนิด NMC ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนวัตถุดิบของแบตเตอรี่ LFP ลดลง 30%

แบตเตอรี่ประเภทใดเหมาะสมกว่าสำหรับการติดตั้งในพื้นที่จำกัด?

สำหรับสถานที่ที่มีพื้นที่จำกัด แบตเตอรี่ชนิด NMC เป็นทางเลือกที่ดีกว่า เนื่องจากมีความหนาแน่นเชิงปริมาตรและเชิงมวลสูงกว่า แม้ว่าต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของจะสูงกว่าก็ตาม