AGM, GEL или LiFePO4: сравнение по цене за цикл

Ценник и цена киловатт-часа — разные числа

Выбор химии почти всегда начинается с ценника и на нём же заканчивается. Свинцовая батарея AGM на 12 В и 200 А·ч стоит в разы дешевле литиевого модуля — правда, и полезной энергии в ней почти вчетверо меньше, но при таком сравнении об этом обычно не вспоминают.

Ценник, однако, относится к номинальной ёмкости — к цифре на шильде. Пользуетесь вы не ей, а энергией, которую батарея согласна отдать, пока остаётся работоспособной. Между шильдой и реально отданной энергией стоят три множителя: какую долю ёмкости можно забирать за цикл, сколько таких циклов батарея выдержит и какая часть энергии теряется на заряде и разряде. У свинца и у лития каждый из трёх отличается не на проценты, а в разы, и произведение расходится уже на порядок.

Дальше — формула, которая сводит эти множители в одно число, таблицы с исходными данными и, что важнее, разбор случая, когда расчёт по циклам врёт. В системе резервного питания с редкими отключениями цикловой ресурс не выбирается вообще, и цену определяет совсем другая величина.

Три химии, между которыми обычно выбирают

Слово «аккумулятор» покрывает десяток разных изделий, и половина споров идёт из-за того, что стороны сравнивают разное. Для стационарной системы в частном доме реально рассматривают три варианта.

• AGM (Absorbent Glass Mat) — свинцово-кислотная батарея, где электролит удержан в стекловолоконном сепараторе. Долива не требует, работает в любом положении, кроме перевёрнутого, отдаёт большой ток. Самый дешёвый вход в тему.
• GEL — тот же свинец, но электролит загущён до геля. Легче переносит глубокий разряд и высокую температуру, хуже отдаёт большой ток и хуже работает на холоде. Дороже AGM того же типоразмера.
• LiFePO4, он же LFP, литий-железо-фосфат — литиевая химия с номинальным напряжением ячейки 3,2 В. Из литиевых химий самая термически устойчивая и самая долгоживущая по циклам, ценой меньшей удельной энергии, чем у никель-кобальтовых.

Что отличается и насколько

Глубина разряда: почему 200 А·ч — это не 200 А·ч

Номинальная ёмкость — это сколько в батарее энергии, а не сколько её можно оттуда взять. Разница между этими величинами и есть первая половина ответа на вопрос, почему литий при вдвое меньшем номинале выигрывает.

Свинец не переносит глубокого разряда. Зависимость числа циклов от глубины у него резкая: разряд до половины ёмкости даёт в типовых паспортах вдвое-втрое меньше циклов, чем разряд на треть, а разряд «в ноль» съедает ресурс за считаные сотни повторений. Поэтому рабочей глубиной для свинцовой стационарной сборки считают 30–50 %, и всё, что глубже, — это аварийный режим, а не расчётный.

У лития кривая заметно положе. Рабочие 80–90 % — не предел возможностей, а компромисс: BMS оставляет запас снизу, чтобы ячейки не уходили в переразряд при разбалансе. Отсюда простое следствие: из литиевого модуля на 5 кВт·ч вы возьмёте больше энергии, чем из свинцовой сборки на 9,6 кВт·ч.

Вторая половина ответа — зависимость отдачи от тока. Номинал свинцовой батареи указывают для 20-часового разряда. Если разряжать её за час, отдача падает примерно до 55–65 % от номинала — это эффект Пейкерта, и он тем сильнее, чем больше ток. У лития в бытовом диапазоне токов отдача от скорости разряда практически не зависит: разница между разрядом за восемь часов и за час укладывается в единицы процентов.

Сколько энергии реально доступно

Формула цены киловатт-часа

Свести всё это в одно число можно арифметикой уровня средней школы. Цена киловатт-часа, отданного за срок службы, считается так:

Цена киловатт-часа = Ц / (Е × Г × Ч × К)

Что в знаменателе

• Ц — цена батарейной части, в рублях. Инвертор, щит и монтаж сюда не входят: они сопоставимы у обоих вариантов и на сравнение химий не влияют.
• Е — номинальная ёмкость в кВт·ч. Для батареи 12 В / 200 А·ч это 2,4 кВт·ч, для сборки из четырёх — 9,6 кВт·ч.
• Г — рабочая глубина разряда долей от единицы: 0,5 для свинца, 0,9 для лития.
• Ч — число циклов до порога замены. Берётся из паспорта вместе с условиями, при которых измерено.
• К — КПД заряд-разряд по энергии: около 0,85 для свинца, около 0,96 для лития.

Тот же расчёт на живом примере

Возьмём задачу, с которой приходят чаще всего: держать газовый котёл, два циркуляционных насоса, освещение и роутер. Это около 500 Вт постоянной нагрузки, автономия нужна 8 часов, то есть 4 кВт·ч на одно отключение.

Литиевый модуль 5,12 кВт·ч по цене 170 тыс. ₽. Знаменатель: 5,12 × 0,9 × 4000 × 0,96 — примерно 17,7 тыс. кВт·ч за срок службы. Делим цену на эту энергию, получаем около 10 ₽ за киловатт-час.

Свинцовая сборка 9,6 кВт·ч по цене 140 тыс. ₽. Знаменатель: 9,6 × 0,5 × 500 × 0,85 — примерно 2040 кВт·ч. Получается около 69 ₽ за киловатт-час.

Разница почти семикратная, и получена она не подбором удобных цифр, а средними значениями из диапазонов. Ниже та же арифметика прогнана по границам диапазонов — чтобы было видно, насколько результат устойчив.

Расчёт по границам диапазонов

Что стоит за цифрой «4000 циклов»

Число циклов

3000–6000 до 80 % остаточной ёмкостипри глубине разряда 80 %, токе 0,5C и температуре +25 °C — без этих трёх условий цифра ничего не значит

Температура разряда

от −20 до +55 °Cниже −10 °C отдача заметно падает, при −20 °C остаётся 70–90 % ёмкости

Температура заряда

от 0 до +45 °Cниже нуля заряд запрещён; модуль со встроенным подогревом греется сам и тратит на это часть запаса

Напряжение ячейки

3,2 В номинал, рабочий диапазон 2,5–3,65 В16 ячеек последовательно дают шину 51,2 В номинала

Саморазряд

1–3 % в месяцплюс собственное потребление платы BMS — обычно единицы миллиампер, но за полгода простоя это заметно

Хранение вне работы

40–60 % зарядадолгое хранение при 100 % ускоряет календарное старение ячеек

Где расчёт по циклам врёт

Всё, что посчитано выше, верно для батареи, которая работает. То есть циклируется: разряжается и заряжается регулярно. Так живут накопители при солнечных панелях и при ночном тарифе, и для них цена киловатт-часа — главный показатель.

Система резервного питания живёт иначе. Она стоит заряженной и ждёт. Посчитаем: 100 часов отключений в год при средней резервируемой нагрузке 500 Вт — это 50 кВт·ч, снятых с батареи за год. Для литиевого модуля на 4,6 кВт·ч полезной ёмкости это 11 циклов в год, для свинцовой сборки на 4,8 кВт·ч — примерно столько же.

За десять лет набирается около 110 циклов. У свинца ресурс 300–600, у лития 3000–6000. Ресурс циклов не выбирает никто. Батарею меняют не потому, что кончились циклы, а потому, что кончился календарь.

И вот здесь свинец теряет своё главное преимущество куда медленнее, чем в предыдущих таблицах. Календарный ресурс AGM в буферном режиме — 4–6 лет при температуре около +20…+25 °C. Правило, принятое для свинцово-кислотных батарей, звучит так: каждые лишние +10 °C примерно вдвое сокращают срок службы в буферном режиме. В котельной, где летом держится +30 °C, четыре года превращаются в два-три, и это не преувеличение, а типовая история.

Литий в тех же условиях живёт 10–15 лет, но и у него есть календарная деградация, и ускоряют её ровно те же два фактора: температура и постоянное хранение на полном заряде. Инвертор, который держит литиевую батарею на 100 % круглый год, укорачивает ей жизнь. Правильная настройка для резервной системы — держать 90 % и добирать до полного только перед прогнозируемым отключением.

Стоимость владения за 10 лет при редких отключениях

Одна задача, два решения

Честно про минусы лития

Материал про сравнение химий, написанный производителем литиевых батарей, обязан назвать слабые места своего продукта — иначе читать его незачем. Вот они, по убыванию частоты, с которой становятся проблемой.

1. Заряд при отрицательной температуре запрещён. Ниже 0 °C на аноде осаждается металлический литий, ячейка теряет ёмкость необратимо и в пределе получает внутреннее замыкание. BMS такой заряд блокирует, и зимой в неотапливаемом помещении система перестаёт восстанавливаться после отключения. Лечится подогревом модуля или тёплым помещением, но подогрев тратит энергию и добавляет узел, который тоже может отказать.
2. Цена входа выше: в два-три раза за киловатт-час номинала и процентов на двадцать-тридцать за киловатт-час полезной ёмкости. Для человека, которому система нужна сейчас и в ограниченный бюджет, это решающий довод, и спорить с ним нечем.
3. BMS — единая точка отказа. Свинец умирает постепенно: автономия тает месяцами, и вы успеваете заметить. Литиевый модуль при срабатывании защиты отключается мгновенно и целиком — в момент отключения сети это ровно то, чего вы не ждали. Отсюда требование к качеству платы и к тому, чтобы её можно было заменить отдельно от ячеек.
4. Совместимость с инвертором нужно проверять. Профиль заряда у лития другой: нет длинной стадии absorption, нет постоянного подзаряда, напряжения отсечки иные. Старый инвертор со свинцовым профилем в лучшем случае недозарядит батарею, в худшем — будет её постоянно передерживать. Правильная связка — обмен по CAN или RS485, когда BMS сама говорит инвертору, какой ток и какое напряжение ей нужны.
5. Постоянное хранение на 100 % заряда вредит. Для резервной системы это встроенное противоречие: батарея по назначению должна быть полной, а по химии — жить дольше при 90 % и ниже. Решается настройкой инвертора, но настройку надо сделать осознанно, а не оставить по умолчанию.
6. Короткие мощные разряды — не сильная сторона. Модуль ограничен BMS по току, обычно на уровне 1–2C. Свинец на секундных пиках отдаёт больше и стоит за ампер дешевле. Если задача — крутить стартер или держать сварочный аппарат, свинец честно лучше.
7. Утилизация сложнее и дороже. У свинца отлаженный оборот вторсырья и лом с остаточной стоимостью — отслуживший комплект у вас заберут и доплатят. Литиевый модуль нужно сдавать специализированному переработчику, и денег за него не дадут.
8. Ремонт — сервисная операция. У свинца ремонта нет вовсе, но и понимать там нечего. У лития разбалансировка ячеек или отказ платы чинятся, однако для этого нужен тот, кто это умеет, и запчасти именно к этой серии. Вопрос «а что будет через семь лет» здесь законный, и ответ на него должен давать производитель, а не продавец.

Когда AGM или гель — правильный выбор

Есть ситуации, в которых литий покупать не надо, и мы говорим об этом прямо. Если ваш случай в списке — берите свинец, это будет дешевле и разумнее.

• Батарею некуда поставить, кроме неотапливаемого гаража, уличного шкафа или холодного подполья, и подогрев ставить не планируется. Литий зимой перестанет заряжаться, свинец будет работать, теряя на морозе часть ёмкости.
• Бюджет ограничен жёстко, а система нужна к ближайшей зиме. Свинцовая сборка на ту же полезную ёмкость на входе дешевле — по ориентировочным вилкам из таблиц выше процентов на двадцать-тридцать, и заметно сильнее, если согласиться на меньший номинал и более короткую автономию. Менять её придётся через четыре года, но это будет через четыре года.
• Отключения редкие и короткие: одно-два в год по 20–30 минут. Для такого сценария хватает готового ИБП со свинцовыми батареями, и городить систему за сотни тысяч смысла нет.
• Нагрузка требует коротких мощных разрядов: пусковые токи, сварка, компрессор без плавного пуска. Свинец за ампер пикового тока дешевле.
• Инвертор уже стоит, менять его не планируется, а литиевого профиля заряда в нём нет. Замена инвертора часто съедает всю разницу в цене батарей.
• Объект временный: стройка, бытовка, сезонная точка. Батарею всё равно снимут через год-два, и цикловой ресурс не будет выбран даже наполовину.
• Проектом или требованиями заказчика прямо задан тип батарей. Спорить с проектом ради экономии на владении — не наша работа.

Гель или AGM, если литий не подходит

Внутри свинца выбор тоже не пустой. Гель и AGM отличаются не «качеством», а характером, и подходят под разные нагрузки.

AGM держит большой ток лучше: стекловолоконный сепаратор даёт меньшее внутреннее сопротивление. Он дешевле, менее капризен к профилю заряда и лучше переносит холод. Расплата — быстрая потеря ресурса при глубоких разрядах и чувствительность к жаре.

Гель живёт дольше при тех же глубоких разрядах и спокойнее переносит высокую температуру — в котельной это заметное преимущество. Взамен он хуже отдаёт большой ток, хуже работает на морозе и жёстче требует точного напряжения заряда: перезаряд выдавливает в геле газовые полости, и восстановить их нельзя.

Практический вывод короткий. Ровная нагрузка, редкие глубокие разряды, тёплое помещение — гель. Нагрузка с высокими пиками, холодное помещение, простой заряд — AGM. Если непонятно, к чему ближе ваш случай, считайте по пиковому току: он расставляет всё быстрее любых рассуждений.

Частые заблуждения

Восемь утверждений, которые звучат в каждом втором разговоре о выборе батарей.

• «Литий дороже в три раза». За киловатт-час номинала — да, примерно так и есть. Но полезной энергии в свинце вдвое меньше, и при сравнении по энергии за цикл разрыв на входе сжимается до двадцати-тридцати процентов. По энергии за весь срок службы литий уже дешевле в пять-семь раз. А в режиме редкого резерва этот ресурс не выбирается вовсе, и честная разница считается по стоимости года владения — она полуторная-двукратная в пользу лития.
• «100 А·ч — это 100 А·ч». Нет. У свинца из номинала реально доступна половина, и она ещё уменьшается при быстром разряде. У лития доступно 80–90 % почти независимо от тока. Сравнивать нужно полезную энергию за цикл, а не цифру с шильды.
• «Гель — это улучшенный AGM». Это разные вещи с разными сильными сторонами. Гель лучше при глубоких разрядах и в жаре, AGM — при больших токах и на холоде. Гель дороже, но не «лучше вообще».
• «Литий взрывается». Взрываются литий-кобальтовые химии, которые ставят в телефоны и электросамокаты. LiFePO4 термически устойчив: температура начала разложения катода у него заметно выше, и он не поддерживает горение так, как никель-кобальтовые составы. Это не значит «безопасен при любом обращении» — нужна работающая BMS, защита по току и грамотный монтаж.
• «AGM не требует обслуживания». Долива не требует. Но недозаряд ведёт к сульфатации, перезаряд — к высыханию, а температура выше +25 °C режет срок вдвое на каждые +10 °C. Батарея, которую полгода держали разряженной, ёмкость уже не вернёт.
• «Можно поставить литий вместо свинца, не трогая инвертор». Иногда можно, но проверять надо до покупки. Профиль заряда другой, напряжения отсечки другие, постоянный подзаряд литию не нужен. Инвертор без литиевого профиля будет либо недозаряжать, либо держать батарею на пределе.
• «Число циклов из описания — это срок службы». Цикл без глубины разряда, тока и температуры — не цифра, а маркетинг. «Более 8000 циклов» без единого условия и «6000 циклов до 80 % ёмкости при разряде на 80 %, токе 0,5C и +25 °C» — это заявления разного жанра.
• «Возьму автомобильные аккумуляторы, они дешевле». Стартерная батарея рассчитана на короткий мощный разряд с немедленным зарядом. Циклический разряд на половину ёмкости выводит её из строя за десятки циклов. За два сезона вы купите три комплекта и потратите больше, чем на один нормальный.

Как посчитать под свой случай

1. Замерьте фактическую нагрузку

   Токовыми клещами на вводе, в типовом режиме и в момент пуска насоса. Шильда котла показывает максимум и для расчёта автономии завышена в разы.

2. Решите, сколько часов нужно держаться

   Мощность в киловаттах умножить на часы — получите энергию на одно отключение в кВт·ч. Это отправная цифра всего расчёта.

3. Переведите её в номинал

   Разделите на рабочую глубину разряда (0,5 для свинца, 0,9 для лития) и на КПД (0,85 и 0,96). Для свинца добавьте поправку, если разряд быстрее 10 часов.

4. Посчитайте годовой расход

   Сколько часов в год у вас нет света, умножить на среднюю резервируемую мощность. Это ключевая цифра: она говорит, чем ограничен срок — циклами или календарём.

5. Сравните с бюджетом ресурса

   Годовой расход разделите на полезную ёмкость цикла и умножьте на срок в годах. Получилось сильно меньше паспортных циклов — считайте по стоимости года владения.

6. Подставьте свои цены

   Цифры из актуальных счетов, а не из статей. Формула цены киловатт-часа от этого не меняется, а результат может измениться заметно.

7. Проверьте температуру в помещении

   Зимний минимум и летний максимум там, где будет стоять батарея. Минус ниже нуля закрывает вопрос литиевого модуля без подогрева, плюс выше +30 °C вдвое сокращает жизнь свинцу.

Что делать дальше

Порядок такой. Сначала два замера: реальная нагрузка токовыми клещами и температура в помещении зимой. Потом две цифры: нужное время автономии и годовое число часов без света. С этими четырьмя величинами выбор химии перестаёт быть спором о брендах и становится арифметикой.

Если по температуре выходит холодное помещение без подогрева — берите свинец и не тратьте время на остальное. Если помещение тёплое, а годовой расход энергии заметный, литий окупается ресурсом. Если помещение тёплое, но отключения редки и коротки, разница между вариантами сводится к стоимости года владения, и здесь уже играют роль ваши предпочтения по массе, месту и частоте замен.

Что бы ни вышло по расчёту, требуйте от продавца числа с условиями измерения. Циклы — с глубиной разряда, током и температурой. Срок службы — с критерием отказа, то есть с порогом остаточной ёмкости. Гарантия — через тот же порог, а не через слово «лет». Цифра без условий выглядит как факт, но фактом не является.