Аккумулятор для дома: AGM, литий-ионный или LiFePO4

Сначала о том, что вы покупаете на самом деле

«Домашний аккумулятор», «солнечный аккумулятор для дома», «аккумуляторная батарея LiFePO4» — в объявлениях это один и тот же товар, и разнобой в названиях легко принять за разницу в технике. Разница ровно одна, и она в химии.

На ценнике написана номинальная ёмкость, а пользоваться вы будете полезной. Разница задаётся допустимой глубиной разряда, и она у химий разная.

Отсюда первое практическое следствие: свинцовой батареи нужно вдвое больше по паспорту, чтобы получить ту же полезную энергию. Сравнивать ценники в лоб бессмысленно, сравнивать надо цену полезного киловатт-часа.

Свинцовый AGM

AGM — это свинцово-кислотная батарея, где электролит удерживается в стекловолоконном сепараторе. Отсюда герметичность: она не проливается и почти не выделяет газ, поэтому её можно ставить в помещении в отличие от обслуживаемых.

Ресурс производитель нормирует в двух режимах, и разница между ними принципиальна. Цифры ниже — из паспорта глубокоцикловой серии AGM известного европейского производителя:

Причём это глубокоцикловая серия. Дешёвые батареи «для ИБП», которые обычно и покупают, рассчитаны только на буферный режим и в циклах живут заметно меньше.

Чего свинец не прощает. Разряженное состояние. В том же руководстве прямо сказано: если оставлять батарею разряженной на пару часов после каждого цикла, большинство батарей выходит из строя за сотню циклов. Причина — сульфатация: на пластинах растут кристаллы сульфата свинца, и ёмкость не восстанавливается.

Отсюда важная поправка к распространённому мнению. Свинец не просто любит полный заряд — он в нём нуждается. Производитель задаёт напряжение поддерживающего заряда 13,5–13,8 В именно для того, чтобы батарея стояла заряженной. Держать её наполовину разряженной «чтобы берегла ресурс» — прямой способ её убить. Это литий не любит долго стоять при 100 %, а свинец наоборот.

Где AGM уместен. Короткие отключения несколько раз в год, дом с сетью, задача — чтобы не гас свет и не останавливался котёл. Батарея почти всегда заряжена, разряжается редко и неглубоко — то есть ровно буферный режим, где она отработает свои 7–10 лет. Плюс низкая цена входа и полное отсутствие требований к электронике: свинцу не нужен BMS.

Литий-ионный: NMC и NCA

Это то, что стоит в электромобилях, ноутбуках и телефонах: катод из оксидов никеля, марганца и кобальта. Главное достоинство — плотность энергии: при той же ёмкости батарея заметно легче и компактнее.

Для стационарного накопителя в доме это достоинство почти не нужно — ящик стоит в котельной, и его вес не имеет значения. А вот главный недостаток проявляется в полный рост.

Тепловой разгон. При перегреве, повреждении или перезаряде катод NMC начинает разлагаться с выделением кислорода. Горение получает окислитель изнутри элемента и дальше поддерживает само себя: такой пожар не тушится перекрытием доступа воздуха и легко переходит на соседние элементы.

Именно поэтому в стационарной энергетике литий-ионные с кобальтом почти вытеснены железо-фосфатными: выигрыш в компактности не стоит риска, а ресурс у них к тому же меньше.

Литий-железо-фосфатный LiFePO4

Его называют по-разному: литий железо фосфатные аккумуляторы, литий фосфатные, LFP — это всё одно и то же. По устройству LiFePO4 аккумуляторы для дома собираются из призматических ячеек в последовательную сборку, к ней добавляется BMS — плата управления, следящая за балансом ячеек, температурой и порогами, — и всё это закрывается корпусом с силовыми клеммами и разъёмом связи.

Тот же литий, но катод из фосфата железа. Связь фосфора с кислородом прочнее, чем у оксидов кобальта, и разложение начинается при существенно более высокой температуре. Кислород катод при этом практически не отдаёт, поэтому горение не подпитывает само себя.

Скажем честно и без рекламы: «LiFePO4 не горит» — неверная формулировка. При серьёзном повреждении или перезаряде элемент вскрывается предохранительным клапаном и выделяет горючие газы, а электролит горюч. Правильная формулировка другая: порог, за которым начинается неуправляемая реакция, у LiFePO4 существенно выше, пожар менее вероятен и не поддерживает себя изнутри, а последствия обычно ограничиваются дымом и повреждением самого модуля.

Ресурс. Здесь разрыв со свинцом не в разы, а на порядок. В паспортах накопителей из нашего каталога стоит не менее 6000 циклов при разряде на 90 % с сохранением 70 % ёмкости. При ежедневном цикле это шестнадцать лет.

Сколько энергии вы получите за срок службы

Это единственное честное сравнение, потому что оно объединяет ёмкость, глубину разряда и ресурс в одно число.

Возьмём два модуля одинаковой паспортной ёмкости 5 кВт·ч:

Восемнадцатикратная разница. Даже если LiFePO4 стоит втрое дороже, киловатт-час, пропущенный через него, выходит в шесть раз дешевле.

Оговорка, чтобы было честно: расчёт верен для циклического режима, то есть когда батарея работает каждый день. Если она нужна три раза в год на два часа, до шестисот циклов свинец не доживёт по другой причине — по календарю, и тогда сравнивать надо семь-десять лет буферного ресурса против пятнадцати лет у лития. Разрыв сокращается до двукратного, и дешёвый свинец становится разумным выбором.

Мощность отдачи: почему 16 кВт·ч — это не 16 кВт

Самая частая путаница при первой покупке, и она стоит дорого.

Киловатт-часы — это запас. Киловатты — скорость, с которой его можно забирать. Второе ограничено максимальным током разряда, который указан в паспорте батареи, и считается в одну строку:

мощность = максимальный ток разряда × номинальное напряжение

Вот реальные значения из паспортов накопителей нашего каталога:

Смотрите на последнюю строку: накопитель на 16 кВт·ч отдаёт около 8 киловатт. Запаса хватит на два часа такой нагрузки, но взять больше восьми киловатт одномоментно он не даст, какой бы мощный инвертор к нему ни подключили.

Отсюда практический вывод: инвертор на 10 кВт с одним модулем на 16 кВт·ч в пике упрётся не в инвертор, а в батарею. Лечится параллельным подключением второго модуля — токи складываются. Про то, как это связано с пусковыми токами насоса и компрессора, — в статье пусковой ток.

У свинца ситуация та же по форме, но хуже по сути: отдавать большой ток он может, однако при этом резко падает отдаваемая ёмкость. Батарея на 100 А·ч при разряде током 100 А отдаст заметно меньше паспортной ёмкости — эффект Пейкерта. У LiFePO4 этого почти нет.

Мороз

Ёмкость на холоде теряют все три химии. Но у лития есть отдельное жёсткое ограничение, которого нет у свинца.

Заряжать литий при отрицательной температуре нельзя. На аноде вместо внедрения лития начинается рост металлических дендритов, и это необратимо: ёмкость падает, а в пределе дендрит протыкает сепаратор и замыкает элемент. Поэтому в паспортах наших накопителей стоит заряд от 0 °C и разряд до −20 °C, а хорошие модули имеют встроенный подогрев.

Свинец заряжать в мороз можно, но принимает он заряд неохотно, а разряженная свинцовая батарея замерзает: электролит в ней ближе к воде.

Практический вывод один для обеих химий: накопитель ставится в отапливаемом помещении. Котельная, кладовая, тамбур с плюсовой температурой — но не гараж без отопления и не улица.

Форматы: 12, 24 и 48 вольт

Ампер-часы на ценнике не говорят ничего, пока не известно напряжение. Аккумулятор LiFePO4 100ah — самый ходовой типоразмер, и энергии в нём столько, сколько даёт произведение: при 12 вольтах это 1,2 кВт·ч, при 48 — уже 4,8.

Для дома почти всегда 48 вольт, и причина не в моде: при той же мощности ток вчетверо меньше, чем на двенадцати, а значит тоньше кабель и меньше потери на нагрев.

Зарядка LiFePO4: нужно ли отдельное зарядное устройство

Зарядка LiFePO4 аккумуляторов устроена проще, чем у свинца: нет обязательного дозаряда и нет требования держать батарею постоянно полной. Но зарядное для LiFePO4 аккумуляторов нужно не всегда.

Если батарея работает в паре с гибридным инвертором — не нужно. Инвертор сам является зарядным устройством и получает от BMS по CAN или RS485 допустимые пороги: до какого напряжения заряжать, каким током, когда остановиться.

Отдельное зарядное устройство для аккумулятора LiFePO4 нужно в других случаях: батарея стоит в ИБП без литиевого режима, работает автономно или её нужно зарядить перед сезонным хранением.

Главное здесь — не брать зарядное от свинца. Профиль заряда у литий-железо-фосфатного другой: нет длительной поддерживающей фазы, которая свинцу необходима, и нет десульфатирующих режимов с повышенным напряжением, которые литию прямо вредны. Конкретные напряжения и токи указаны в паспорте модуля, и подставлять их по аналогии нельзя.

Аккумулятор для дома на 220 вольт: почему так не бывает

Формулировка «аккумулятор для дома на 220» встречается постоянно, и за ней стоит понятное ожидание: розетка. Но техника устроена иначе.

Аккумулятор всегда постоянного тока — 12, 24 или 48 вольт. Привычные 220 получаются из него в инверторе, который преобразует постоянное напряжение в переменное синусоидальное. Поэтому «аккумулятор для дома на 220» — это всегда связка минимум из двух устройств: накопителя и инвертора.

Отсюда же вторая частая формулировка. «Аккумулятор для дома вместо генератора», «генератор на аккумуляторах для дома», «аккумулятор вместо генератора для дома на 220» — это та же связка, названная по задаче, а не по составу. Сравнение с бензиновым резервом по цене владения, шуму и обслуживанию — генератор или инвертор с аккумулятором. Если нужно зарезервировать дом целиком — ИБП для частного дома, там три класса решений и расчёт автономии.

Что выбрать под свою задачу

Чего не стоит делать

Собирать батарею из автомобильных аккумуляторов. Стартерный аккумулятор рассчитан на короткий мощный разряд при постоянном подзаряде. В циклическом режиме при разряде на 50 % он выдержит несколько десятков циклов — то есть закончится за сезон.

Смешивать старые и новые элементы, а тем более разные химии. Батареи в сборке выравниваются по худшей, и слабый элемент тянет за собой остальные.

Экономить на BMS у лития. У свинца её нет и не нужно, а у лития система управления — не аксессуар, а часть батареи: она следит за балансом ячеек, температурой и порогами. Готовый модуль с BMS внутри и обменом с инвертором по CAN — это то, за что стоит платить.

Ставить батарею в неотапливаемом помещении. См. раздел про мороз.

Что дальше

Как посчитать нужную ёмкость и подобрать напряжение под инвертор — аккумулятор для солнечных панелей. Почему инвертор уходит в защиту при пуске насоса и при чём тут ток разряда батареи — пусковой ток. Сравнение с бензиновым резервом — генератор или инвертор с аккумулятором. Готовые связки инвертора с накопителем — комплекты резервного питания.

Частые вопросы