Безпека та теплова стабільність у стаціонарних системах накопичення електроенергії (BESS)

Температура початку теплового розбігу та поведінка його поширення: LFP проти NMC

Щодо термічної стабільності, літій-залізо-фосфатні (LFP) акумулятори виділяються порівняно з варіантами на основі нікелю, марганцю та кобальту (NMC), що робить їх значно безпечнішими для використання в стаціонарних системах акумулювання електроенергії (BESS). Термічний розбіж — це явище, що виникає приблизно за 270 °C у LFP-акумуляторів, що значно вище діапазону 150–200 °C, у якому NMC-акумулятори починають виходити з ладу. Ця різниця пояснюється міцнішими зв’язками фосфат-кисень у LFP та мінімальним виділенням кисню під час їх розкладання. Практична перевага? LFP-елементи виділяють приблизно на 80 % менше горючого газу, ніж їх аналоги, і випускають тепло зі швидкістю 5 °C/с або повільніше у разі аварії, тому полум’я не поширюється легко з одного елемента на інший. З іншого боку, NMC-акумулятори характеризуються швидкими процесами горіння та виділенням газів, що вимагають багаторівневого захисту — зокрема рідинного охолодження, належно організованих систем вентиляції та навіть систем гасіння пожеж — лише для запобігання ланцюговим реакціям після перегріву одного елемента.

Наслідки на рівні системи: Як складність термокерування впливає на надійність та експлуатаційні витрати

Термічна стабільність, закладена в LFP, значно полегшує вирішення проблем керування теплом і загалом забезпечує кращу надійність з часом. Більшість установок на основі NMC потребують складних рідинних систем охолодження разом із додатковими заходами безпеки лише для запобігання небезпечному перегріванню. Проте акумуляторні системи зберігання енергії на основі LFP часто чудово працюють із простими методами повітряного охолодження або навіть базовими контурами рідинного охолодження. Ці відмінності перетворюються на реальні економічні вигоди. Цифри досить чітко розповідають цю історію: експлуатаційні витрати на системи NMC перевищують витрати на аналогічні системи на 30–50 % через велике споживання енергії на охолодження, необхідність постійного нагляду за компонентами та наявність усіх цих резервних заходів безпеки. Практичні випробування свідчать про те, що системи на основі LFP мають приблизно на 20 % менше неочікуваних вимкнень і довше працюють між обов’язковими технічними оглядами. Для об’єктів, де збої в роботі системи недопустимі, а точне бюджетне планування має велике значення, ці експлуатаційні характеристики роблять акумулятори LFP практичним вибором, навіть попри те, що деякі можуть вважати їх обмеженнями.

Примітка: Зовнішні посилання не включено, оскільки жодне авторитетне джерело (authoritative=true) не відповідало критеріям релевантності згідно з глобальними правилами.

Термін циклічного життя та тривале деградування в реальних системах накопичення енергії

Деградування під час циклів часткового заряду (наприклад, самоспоживання сонячної енергії, торгівля електроенергією на мережі)

Щодо циклів заряджання при частковому рівні заряду — явища, з яким ми постійно стикаємося в сонячних енергетичних системах та системах накопичення енергії для електромереж — літій-залізо-фосфатні (LFP) акумулятори справді виділяються порівняно з альтернативами на основі нікелю, марганцю та кобальту (NMC). Більшість таких застосувань забирають енергію лише частково, зазвичай підтримуючи рівень заряду в межах від 20 % до 80 % протягом усього циклу експлуатації. Такий режим експлуатації створює надзвичайно незначне навантаження на стабільну олівінову структуру, що становить катоди LFP. Якщо звернутися до реальних показників ефективності, то LFP-акумулятори втрачають ємність приблизно вдвічі повільніше за NMC-акумулятори за аналогічних умов часткового циклу заряду (PSOC). Згідно зі звітом BloombergNEF за 2023 рік, LFP-акумулятор збереже понад 80 % своєї початкової ємності після 4000 циклів заряджання-розряджання при глибині розряду 50 %, тоді як більшість NMC-акумуляторів досягають цього самого показника лише після приблизно 2000 циклів. Ситуація для NMC-акумуляторів стає ще гіршою в умовах постійного заряджання та розряджання невеликими порціями. Їх шарувата оксидна структура катода з часом схильна до утворення тріщин, особливо через більш стрімкий вольт-амперний графік і значно вищу чутливість до змін температури навколишнього середовища.

Дані про експлуатаційні показники (2020–2024 рр.): середній термін експлуатації LFP порівняно з NMC у побутових та комерційних і промислових системах накопичення електроенергії на основі акумуляторів (BESS)

Реальні дані з 12 000 встановлених систем (2020–2024 рр.) підтверджують перевагу LFP щодо тривалості експлуатації в усіх сегментах застосування:

*Визначається як кількість років до зниження ємності до 80 % від початкової

Різниця між системами C&I стає справді помітною, оскільки вони частіше циклюються й постійно піддаються впливу змінних температур. У батарей NMC їхня залежність від кобальту означає, що руйнування починається швидше, як тільки температура перевищує 25 °C. Результати реальних випробувань показують, що такі батареї втрачають приблизно 2,1 % ємності щороку порівняно з лише 1,2 % для батарей LFP у нормальних кліматичних умовах. За період 15 років це означає, що батареї LFP потрібно замінювати на 40 % рідше, ніж батареї NMC, що скорочує як витрати на нові батареї, так і простої часу під час обслуговування систем. Крім того, батареї LFP краще витримують високі температури, тому вони довше служать у стиснених приміщеннях, де неможливо або занадто дорого встановити належні системи охолодження.

Загальні витрати власництва: капітальні витрати, LCOE та економіка матеріалів

NMC, що залежать від кобальту, проти LFP, що містять залізо-фосфат: вартість сировини та стійкість ланцюга поставок

Ланцюги постачання для акумуляторів NMC мають серйозні проблеми щодо стабільності, головним чином через непередбачуваність цін на кобальт та політичну ситуацію в країнах, які постачають більшу частину світового кобальту. Зверніть увагу на динаміку цін на кобальт: за даними Benchmark Mineral Intelligence за минулий рік, вони зазнали різких коливань — зростання перевищило триста відсотків у період з 2020 до 2024 року. Такі екстремальні флуктуації ускладнюють виробникам правильне планування бюджетів. Натомість технологія LFP повністю усуває ці проблеми, оскільки використовує залізо й фосфат. Ці матеріали набагато легше добувати в різних регіонах світу, а також існує добре встановлена гірнича інфраструктура для їх видобутку, яка не викликає значних етичних занепокоєнь. Головний висновок? Компанії можуть зекономити приблизно тридцять відсотків витрат на сировину, одночасно уникнувши складних етичних питань, пов’язаних із малими кобальтовими гірничодобувними підприємствами. За даними Wood Mackenzie, опублікованими ще в 2023 році, ланцюги постачання LFP піддаються приблизно на сорок відсотків меншому ризику, пов’язаному з політичною нестабільністю, порівняно з аналогічними ланцюгами для NMC. Це зменшення вразливості надає інвесторам більшого спокою щодо перспектив довгострокового фінансування та забезпечує реальну доступність компонентів у необхідний час.

Порівняння вирівняних витрат на електроенергію (LCOE) протягом 10-річного терміну експлуатації системи

Літій-залізо-фосфатні (LFP) акумулятори, як правило, мають нижчі вирівняні витрати на електроенергію (LCOE), що вимірює вартість виробництва кожного кіловат-години з часом, навіть попри трохи вищу початкову ціну. Так, акумулятори NMC дешевші при первинній покупці приблизно на 15–20 %. Але при більш глибокому аналізі LFP мають довший термін служби — близько 6000 циклів порівняно з приблизно 4000 циклів у NMC. Крім того, LFP повільніше деградують під час роботи в умовах часткового заряду й потребують менш інтенсивного теплового управління. Згідно з дослідженням Національної лабораторії відновлюваних джерел енергії (NREL), опублікованим минулого року, при використанні в масштабних системах сховища електроенергії для мережі показники LCOE для LFP через 10 років перевищують показники для NMC на 10–15 %. На практиці підприємства, що встановлюють системи акумулювання електроенергії, можуть заощадити від 120 тис. до 180 тис. доларів США на мегават-годину встановленої потужності, оскільки їм доводиться замінювати системи рідше й витрачати менше коштів на системи охолодження.

Компроміси між енергетичною щільністю, габаритами та потужністю

Вплив об’ємної та масової щільності на комерційні установки з обмеженим простором

Щодо комерційних систем акумулювання електроенергії на основі акумуляторів, кількість енергії, уміщеної в один літр, має вирішальне значення для практичної реалізованості рішення. Це особливо актуально в містах, де кожен квадратний фут має значення — наприклад, у торгових центрах або великих складських комплексах. Порівняйте акумулятори NMC із акумуляторами LFP: тип NMC забезпечує на 30–50 % більшу енергію в тому самому об’ємі. Йдеться про приблизно 350–500 Вт·год/л порівняно з лише 200–300 Вт·год/л для LFP. Це має вирішальне значення при розміщенні всього обладнання в обмеженому просторі. Щодо масової щільності — параметра, що вимірює енергію на кілограм, — вона дійсно впливає на обсяг конструкційної підтримки, необхідної для встановлення системи. Проте, чесно кажучи, більшість замовників практично не звертають уваги на вагу при монтажі таких систем, оскільки вони, як правило, фіксуються на місці.

Коли йдеться про встановлення сонячних панелей на дахах існуючих будівель або про модернізацію об’єктів, де просто немає додаткового місця для роботи, батареї на основі NMC часто є більш доцільним вибором порівняно з LFP, навіть попри вищу загальну вартість володіння. Згідно з дослідженням, опублікованим минулого року щодо систем електромережі, для розміщення батарей LFP потрібно на 25–40 % більше площі, щоб забезпечити такий самий обсяг зберігання електроенергії. Це призводить до збільшення витрат на встановлення приблизно на 15–30 доларів США за кіловат-годину, оскільки всі інші компоненти стають дорожчими через необхідність розташування їх на більшій площі. Проте варто зазначити, що варіанти з літій-залізо-фосфатом залишаються дуже сильними конкурентами для фабрик та нових будівельних проектів, де наявність великої вільної території робить габарити менш важливим фактором. Протягом тривалого терміну експлуатації такі переваги, як підвищена безпека, тривалий термін служби та нижчі постійні витрати на технічне обслуговування, надають LFP справжні ціннісні пропозиції, які поступово накопичуються.

ЧаП

Які основні відмінності у теплової стабільності між батареями LFP та NMC?

Літій-залізо-фосфатні (LFP) акумулятори мають вищу температуру теплового розбігу — близько 270 °C порівняно з 150–200 °C для акумуляторів NMC. Елементи LFP виділяють приблизно на 80 % менше легкозаймистого газу й віддають тепло повільніше, що робить їх безпечнішими у стаціонарних системах накопичення електроенергії на основі електромобільних акумуляторів (BESS).

Як LFP-акумулятори впливають на загальні експлуатаційні витрати (OPEX)?

Завдяки вищій термічній стабільності LFP-акумулятори потребують менш складних систем охолодження та заходів безпеки. Це призводить до зниження експлуатаційних витрат на 30–50 % порівняно з системами на основі акумуляторів NMC.

Як довговічність циклів LFP-акумуляторів порівнюється з NMC у сценаріях часткового заряду (PSOC)?

У умовах часткового заряду (PSOC) LFP-акумулятори втрачають ємність приблизно вдвічі повільніше, ніж акумулятори NMC: після 4000 циклів вони зберігають понад 80 % ємності, тоді як акумулятори NMC за аналогічних умов зберігають таку ж ємність лише після 2000 циклів.

Який вплив вартість сировини має на ланцюги постачання LFP порівняно з NMC?

Літій-залізо-фосфатні (LFP) акумулятори використовують широко поширені залізо та фосфат, уникуючи етичних і економічних проблем, пов’язаних із кобальтом, що використовується в акумуляторах типу NMC. Це призводить до зниження вартості сировини для LFP на 30 %.

Який тип акумуляторів кращий для встановлення в обмежених за розміром місцях?

Для місць із обмеженим простором перевагу слід віддати акумуляторам типу NMC через їх вищу об’ємну та масову щільність, незважаючи на вищу загальну вартість володіння.