Độ an toàn và ổn định nhiệt trong hệ thống lưu trữ năng lượng cố định (BESS)

Nhiệt độ bắt đầu hiện tượng mất kiểm soát nhiệt (thermal runaway) và đặc điểm lan truyền: LFP so với NMC

Khi nói đến độ ổn định nhiệt, pin Lithium Iron Phosphate (LFP) nổi bật hơn so với các lựa chọn dựa trên Nickel Mangan Cobalt (NMC), nhờ đó chúng an toàn hơn nhiều khi sử dụng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng pin cố định (BESS). Hiện tượng mất kiểm soát nhiệt (thermal runaway) xảy ra ở khoảng 270 độ C đối với pin LFP — cao hơn đáng kể so với dải nhiệt 150–200 độ C, nơi pin NMC bắt đầu gặp sự cố. Sự khác biệt này bắt nguồn từ liên kết phốtphat–oxy mạnh hơn trong cấu trúc LFP và lượng oxy giải phóng cực kỳ hạn chế khi vật liệu phân hủy. Lợi ích thực tiễn là gì? Các tế bào LFP sinh ra lượng khí dễ cháy ít hơn khoảng 80% so với các đối thủ tương ứng và giải phóng nhiệt với tốc độ bằng hoặc thấp hơn 5 độ C mỗi giây khi xảy ra sự cố, do đó nguy cơ cháy lan từ tế bào này sang tế bào khác là rất thấp. Ngược lại, pin NMC lại có các phản ứng cháy nhanh và phát thải khí đòi hỏi nhiều lớp bảo vệ đồng thời — bao gồm cả hệ thống làm mát bằng chất lỏng, hệ thống thông gió phù hợp, thậm chí cả cơ chế dập lửa — nhằm ngăn chặn phản ứng dây chuyền ngay từ khi một tế bào duy nhất bị quá nhiệt.

Hệ quả ở cấp độ hệ thống: Cách độ phức tạp của quản lý nhiệt ảnh hưởng đến độ tin cậy và chi phí vận hành (OPEX)

Độ ổn định nhiệt được tích hợp sẵn trong pin LFP khiến việc quản lý nhiệt trở nên dễ dàng hơn nhiều và nói chung dẫn đến độ tin cậy cao hơn theo thời gian. Phần lớn các hệ thống pin NMC cần các hệ thống làm mát bằng chất lỏng phức tạp cùng các biện pháp an toàn bổ sung chỉ để ngăn ngừa tình trạng quá nhiệt nguy hiểm. Tuy nhiên, các giải pháp lưu trữ năng lượng dựa trên pin LFP thường hoạt động tốt với các phương pháp làm mát bằng không khí đơn giản hoặc thậm chí chỉ cần các vòng tuần hoàn làm mát bằng chất lỏng cơ bản. Những khác biệt này chuyển hóa thành khoản tiết kiệm chi phí thực tế. Các con số cho thấy rõ ràng — chi phí vận hành của các hệ thống NMC cao hơn từ 30 đến 50 phần trăm do tiêu thụ nhiều năng lượng làm mát, các bộ phận đòi hỏi sự giám sát liên tục và bao gồm tất cả những tính năng an toàn dư thừa đó. Các bài kiểm tra thực tế cho thấy các hệ thống LFP có xu hướng gặp sự cố ngừng hoạt động bất ngờ ít hơn khoảng 20 phần trăm và kéo dài hơn giữa các lần bảo trì định kỳ. Đối với các cơ sở mà việc hệ thống ngừng hoạt động là điều không thể chấp nhận và việc dự báo ngân sách mang tính quyết định, những đặc tính hiệu suất này khiến pin LFP nổi bật như những lựa chọn thực tiễn, bất chấp những hạn chế mà một số người có thể cho rằng chúng tồn tại.

Lưu ý: Không bao gồm liên kết bên ngoài vì không có nguồn nào được coi là đáng tin cậy (authoritative=true) đáp ứng các tiêu chí về tính liên quan theo quy tắc toàn cầu.

Tuổi thọ chu kỳ và suy giảm dài hạn trong hệ thống lưu trữ năng lượng thực tế

Suy giảm trong điều kiện vận hành chu kỳ ở trạng thái sạc một phần (ví dụ: tự tiêu thụ điện mặt trời, giao dịch chênh lệch giá trên lưới điện)

Khi nói đến chu kỳ sạc ở trạng thái nạp một phần – một hiện tượng phổ biến trong các hệ thống năng lượng mặt trời và các hệ thống lưu trữ điện lưới – pin lithium sắt phốt phát (LFP) thực sự nổi bật so với các lựa chọn thay thế dựa trên niken-mangan-coban (NMC). Phần lớn các ứng dụng này chỉ lấy điện ở mức một phần, thường duy trì mức sạc trong khoảng từ 20% đến 80% trong suốt chu kỳ vận hành. Loại chế độ sử dụng này gây rất ít căng thẳng lên cấu trúc olivin ổn định tạo nên catôt của pin LFP. Xét về các số liệu hiệu suất thực tế, pin LFP có xu hướng suy giảm dung lượng với tốc độ chỉ bằng khoảng một nửa so với pin NMC khi chịu cùng điều kiện sạc/xả một phần (PSOC). Theo Báo cáo năm 2023 của BloombergNEF, một pin LFP vẫn giữ được hơn 80% dung lượng ban đầu sau khi trải qua 4.000 chu kỳ sạc với độ sâu xả (depth of discharge) là 50%, trong khi hầu hết pin NMC chỉ đạt mức tương tự sau khoảng 2.000 chu kỳ. Tình hình còn trở nên tồi tệ hơn đối với pin NMC trong những trường hợp chúng liên tục được sạc và xả theo từng mức nhỏ. Cấu trúc catôt oxit lớp của chúng có xu hướng nứt theo thời gian, đặc biệt do đường cong điện áp dốc hơn và phản ứng mạnh hơn nhiều trước các thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh.

Dữ liệu hiệu suất thực tế tại hiện trường (2020–2024): Tuổi thọ sử dụng trung vị của pin LFP so với pin NMC trong các hệ thống lưu trữ năng lượng pin cho hộ gia đình và thương mại–công nghiệp (BESS)

Dữ liệu thực tế từ 12.000 hệ thống đã lắp đặt (2020–2024) khẳng định lợi thế về độ bền của pin LFP trên mọi phân khúc ứng dụng:

*Được định nghĩa là số năm cho đến khi dung lượng còn lại đạt 80%

Sự khác biệt giữa các hệ thống C&I trở nên rõ rệt hơn hẳn vì chúng hoạt động theo chu kỳ thường xuyên hơn và liên tục chịu tác động của nhiệt độ thay đổi. Đối với pin NMC, việc phụ thuộc vào coban khiến chúng bắt đầu suy giảm nhanh hơn khi nhiệt độ vượt quá 25 độ Celsius. Kết quả kiểm tra thực tế cho thấy những loại pin này mất khoảng 2,1% dung lượng mỗi năm, trong khi pin LFP chỉ mất 1,2% mỗi năm trong điều kiện khí hậu bình thường. Xét trên khung thời gian 15 năm, điều này đồng nghĩa với việc pin LFP cần được thay thế ít hơn 40% so với pin NMC, từ đó giúp giảm đáng kể chi phí mua pin mới cũng như thời gian ngừng hoạt động do bảo trì hệ thống. Hơn nữa, pin LFP chịu nhiệt tốt hơn nên tuổi thọ kéo dài hơn trong không gian chật hẹp— nơi việc lắp đặt hệ thống làm mát phù hợp hoặc là bất khả thi hoặc quá tốn kém.

Tổng chi phí sở hữu: Chi phí vốn, chi phí điện trung bình (LCOE) và kinh tế vật liệu

NMC phụ thuộc vào coban so với LFP dồi dào phốt phát sắt: Chi phí nguyên vật liệu và độ bền vững của chuỗi cung ứng

Các chuỗi cung ứng pin NMC đang gặp một số vấn đề nghiêm trọng về tính ổn định, chủ yếu do giá coban biến động khó lường và nguồn cung coban toàn cầu tập trung ở những khu vực có tình hình chính trị bất ổn. Hãy xem xét diễn biến giá coban: theo dữ liệu của Benchmark Mineral Intelligence công bố năm ngoái, giá coban đã tăng mạnh, dao động hơn ba trăm phần trăm trong giai đoạn từ năm 2020 đến năm 2024. Mức độ biến động mạnh như vậy khiến các nhà sản xuất rất khó lập kế hoạch ngân sách một cách chính xác. Ngược lại, công nghệ LFP hoàn toàn tránh được những vấn đề này nhờ sử dụng sắt và phốt phát thay vì coban. Hai nguyên liệu này dễ khai thác hơn nhiều trên khắp thế giới, đồng thời cơ sở hạ tầng khai mỏ hiện có dành cho chúng đã khá bài bản và ít gây ra các vấn đề đạo đức. Kết luận cuối cùng là gì? Các công ty có thể tiết kiệm khoảng ba mươi phần trăm chi phí nguyên vật liệu, đồng thời tránh được những câu hỏi đạo đức nan giải liên quan đến các hoạt động khai thác coban quy mô nhỏ. Theo báo cáo của Wood Mackenzie năm 2023, chuỗi cung ứng pin LFP chịu rủi ro do bất ổn chính trị thấp hơn khoảng bốn mươi phần trăm so với chuỗi cung ứng pin NMC. Sự giảm sút mức độ dễ bị tổn thương này giúp nhà đầu tư an tâm hơn về triển vọng huy động vốn dài hạn và đảm bảo rằng các linh kiện thực sự sẽ sẵn có khi cần thiết.

So sánh chi phí điện trung bình hóa (LCOE) trong suốt vòng đời hệ thống kéo dài 10 năm

Pin LFP thường có chi phí điện trung bình hóa (LCOE) thấp hơn — chỉ số này đo lường chi phí sản xuất mỗi kilowatt-giờ theo thời gian — ngay cả khi giá mua ban đầu cao hơn một chút. Đúng vậy, pin NMC rẻ hơn khoảng 15–20% về mặt chi phí ban đầu. Tuy nhiên, khi xem xét kỹ hơn, pin LFP có tuổi thọ cao hơn với khoảng 6.000 chu kỳ so với khoảng 4.000 chu kỳ của pin NMC. Ngoài ra, pin LFP suy giảm chậm hơn trong các chế độ vận hành ở trạng thái sạc một phần và không yêu cầu hệ thống quản lý nhiệt mạnh như pin NMC. Theo nghiên cứu do Phòng Thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ (NREL) công bố năm ngoái, pin LFP thực tế mang lại hiệu quả LCOE tốt hơn từ 10–15% sau mười năm sử dụng cho các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn trên lưới điện. Về mặt thực tiễn, các doanh nghiệp lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin có thể tiết kiệm từ 120.000 đến 180.000 đô la Mỹ trên mỗi megawatt-giờ được lắp đặt nhờ việc thay thế hệ thống ít thường xuyên hơn và chi phí làm mát thấp hơn.

Các yếu tố đánh đổi về mật độ năng lượng, diện tích chiếm chỗ và khả năng cung cấp công suất

Tác động của mật độ thể tích và mật độ khối lượng đối với các hệ thống thương mại bị giới hạn không gian

Đối với các hệ thống lưu trữ năng lượng pin thương mại, lượng năng lượng được nén vào mỗi lít thực sự rất quan trọng để xác định xem giải pháp đó có khả thi hay không. Điều này đặc biệt đúng tại các thành phố, nơi từng mét vuông đều có giá trị — chẳng hạn như tại các trung tâm thương mại hoặc các cơ sở kho bãi lớn. Hãy so sánh pin NMC với pin LFP: loại pin NMC có thể tích trữ nhiều hơn từ 30 đến 50 phần trăm năng lượng trong cùng một thể tích. Cụ thể, mật độ năng lượng thể tích của pin NMC dao động khoảng 350–500 Wh/L, trong khi pin LFP chỉ đạt 200–300 Wh/L. Sự chênh lệch này tạo ra khác biệt rất lớn khi cần lắp đặt toàn bộ hệ thống vào những không gian chật hẹp. Còn về mật độ khối lượng — tức là lượng năng lượng trên mỗi kilogram — thì nó ảnh hưởng đến mức độ hỗ trợ kết cấu cần thiết. Tuy nhiên, trên thực tế, hầu hết người dùng không quá quan tâm đến trọng lượng khi lắp đặt các hệ thống này, bởi chúng thường được cố định tại chỗ.

Khi lắp đặt pin mặt trời trên các tòa nhà hiện có hoặc thực hiện cải tạo lại các công trình mà không còn đủ không gian để thi công, pin NMC thường hợp lý hơn pin LFP dù chi phí sở hữu tổng thể cao hơn. Theo một nghiên cứu được công bố năm ngoái về các hệ thống lưới điện, việc triển khai pin LFP đòi hỏi diện tích lớn hơn từ 25 đến gần 40 phần trăm so với pin NMC để đạt cùng mức dung lượng lưu trữ năng lượng. Điều này tương đương với việc làm tăng chi phí lắp đặt thêm khoảng 15–30 đô la Mỹ cho mỗi kilowatt-giờ, bởi mọi yếu tố khác đều trở nên đắt đỏ hơn khi phải phân bổ trên diện tích lớn hơn. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các lựa chọn pin lithium sắt phốt phát (LFP) vẫn là những ứng cử viên rất mạnh trong các nhà máy và dự án phát triển mới, nơi có sẵn nhiều diện tích đất trống khiến kích thước pin ít trở thành vấn đề hơn. Trong suốt nhiều năm vận hành, những tính năng an toàn vượt trội, tuổi thọ dài hơn và chi phí bảo trì định kỳ thấp hơn giúp pin LFP mang lại những giá trị thực tế rõ rệt, ngày càng gia tăng theo thời gian.

Câu hỏi thường gặp

Những khác biệt chính về độ ổn định nhiệt giữa pin LFP và pin NMC là gì?

Pin LFP có nhiệt độ bùng phát nhiệt cao hơn, khoảng 270 độ C, so với mức 150–200 độ C của pin NMC. Các tế bào LFP sinh ra lượng khí dễ cháy ít hơn khoảng 80% và giải phóng nhiệt với tốc độ chậm hơn, do đó an toàn hơn khi sử dụng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng điện (BESS) cố định.

Pin LFP ảnh hưởng như thế nào đến tổng chi phí vận hành (OPEX)?

Nhờ độ ổn định nhiệt vượt trội, pin LFP yêu cầu hệ thống làm mát và các biện pháp an toàn ít phức tạp hơn. Điều này giúp giảm 30–50% chi phí vận hành so với các hệ thống pin NMC.

Vòng đời sạc/xả của pin LFP so với pin NMC trong các tình huống sạc không đầy (PSOC) như thế nào?

Trong điều kiện sạc không đầy (PSOC), pin LFP suy giảm dung lượng với tốc độ chỉ bằng khoảng một nửa so với pin NMC, duy trì hơn 80% dung lượng sau 4.000 chu kỳ, trong khi pin NMC chỉ đạt mức tương tự sau 2.000 chu kỳ trong điều kiện tương đương.

Chi phí nguyên vật liệu ảnh hưởng như thế nào đến chuỗi cung ứng của pin LFP so với pin NMC?

Pin LFP sử dụng sắt và phốt phát—hai nguyên liệu dồi dào—tránh được các vấn đề đạo đức và kinh tế liên quan đến coban, vốn được dùng trong pin NMC. Điều này giúp giảm 30% chi phí nguyên vật liệu cho pin LFP.

Loại pin nào phù hợp hơn cho các hệ thống lắp đặt bị giới hạn về không gian?

Đối với các địa điểm bị giới hạn không gian, pin NMC là lựa chọn ưu tiên do có mật độ thể tích và mật độ khối lượng cao hơn, dù chi phí sở hữu tổng thể của chúng cao hơn.