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储能技术在分布式发电中的应用

图为日本钠硫电池储能电站

  化学电池储能电站有很多优点,在可再生能源发展中应该很好地加以利用。但是。化学电池也有缺点,其中最重要的是安全性问题。我们必须承认电池组是一种含高能物质的部件,具有危险性的本质。而且,随着电池比能量和比功率的提高,发生事故的危险性将增大。

  安全性的衡量尺度

  安全性的实质就是事故概率。安全因素控制得好,发生危险事故的概率就降低。影响电池安全事故的因素应包括电池的品种、设计水平、生产质量、总容量、使用时间的长短、安全措施的有效性、使用的合理性、其它(意外)因素等,其中电池的品种最为根本。

  安全性既然是一个事故概率问题,它就可以用数值来表示。例如在核反应堆设计时,安全性要达到10-5或10-6/堆年;而对于飞机,安全性要达到飞行109小时无机毁人亡事故。要达到如此低的事故概率,除了要有高水平的设计、制造外,还要在运行中有一套严密的操作规程和严格的维修保养制度来保障。

  随着可再生能源的发展,化学电池储能电站建设已经逐步展开,化学电池储能电站的安全性问题(事故概率)应该及时地加以认真研究。

  钠硫电池的安全性

  近5-6年来,我们曾经一再指出钠硫电池的安全性差。可是,企业片面地从技术新颖性出发,先是全力支持国内研发,后又热衷于高价购买日本礙子(NGK)公司制造的钠硫电池储能电站,并称日本的几十座钠硫电池储能电站20年来未发生事故。事有凑巧,正与日商讨价还价之际,2011年2月和9月日本接连烧掉两座钠硫电池储能电站,尤其是三菱材料筑波制作所的那座钠硫电池储能电站,于2011年9月21日7时20分左右发生火灾,经掩盖沙子等灭火手段,到当天16时左右火势方才转弱,但未完全扑灭,直到10月5日下午3时25分大火才最终熄灭,共烧了整整两星期。其后,NGK公司要求客戶在事故原因查明之前暂時停止使用钠硫电池,并同时宣布暂停生产钠硫电池。

  至此,我方购买日本钠硫电池储能电站之事方肯暂停了。

  可以粗略地估算出日本钠硫电池储能电站的事故概率大于10-3/站年,换句话说,建1000座与日本平均容量相当的钠硫电池储能电站,每年可能燃烧的就不止一座。

  此事提醒人们,大规模使用储能电池时,应该参考核电站那样事先认真评估其安全性。

  锂离子电池的安全性

  锂离子电池中的电解液是用易燃的溶剂配制而成,正、负电极上的氧化剂和还原剂只隔一层约20微米厚的隔膜,在达到一定温度时氧化剂和还原剂均易与电解液发生大量生热的化学反应,电池组又是在高电压、大电流下运行。

  现在,电动公交车的锂离子电池装载量约为200千瓦时,事故率已不低(10-3/车年)。一个20兆瓦时的储能电站的电池容量大于电动公交车百倍,如用品质相当的锂离子电池,其事故概率就有可能也将大百倍,即可达到10-1/站年(10年可能烧一次)。

  可见,锂离子电池的安全性也值得重视。要将使用电池(特别是锂离子电池)作为使用易燃、易爆物品和高电压器件一样对待,要制定并严格执行安全设计标准和使用规范。

  与锂离子电池类似的有机电解液超级电容器,具有高比功率、超长寿命、较高电压等突出优点,可解决短时间、大功率储-放电问题,也有的储能电站将其与电池并联使用,以提升和扩展电站的功能。有人认为,这种超级电容器比能量低,安全不会有大问题。但是,美国夏威夷Kahuku岛30兆瓦风电场的15兆瓦电池储能电站,使用了Dyna公司超级电容器,发生三次着火引发大火(2011年4月、2012年5月及8月1日),给人们敲响了警钟。

  水电解液电池的安全性

  当前使用最多的水电解液二次电池是金属氢化物/镍电池和铅酸电池,前者的电解液是碱性水溶液,后者是酸性的水溶液。这些电解液泄漏时有腐蚀的危险,不过燃、爆性要低得多,但是也并非绝对不会出问题。2012年4月,山东淄博一辆使用镍氢电池的公交车发生大火,原因可能是负极储氢合金与正极氧化镍用量设计不当,导致电池中积累了氢气。铅酸电池在过度充电时也会发生水电解成氢气和氧气,不过,这个问题已经解决得比较好。因而铅酸电池是安全性最高的电池,而且价格低廉,循环寿命和比能量也在不断提高中。

  可以大规模蓄电的液流电池近些年发展迅速,得益于其使用水电解液而具有极低的爆燃危险性。但是,新近出现的锌-溴液流电池和锌-氯液流电池,虽然有些优点,但是元素态的溴和氯有毒性和腐蚀性,在大规模蓄电站中使用,务必做好防止有毒气体泄漏的事故发生。

  2011年国内曾有人提出有机电解液的液流电池新体系构想,并欲申请2012年国家863计划项目。如果,成千上万立方米的有机电解液成天在储能电站的复杂管道中流动,一旦发生事故后果将不堪设想。显然,这样的有机电解液新体系,已与液流电池的高安全性初衷背道而驰,难有实用前景。

  重视新型水电解液电池发展

  大规模蓄电的储能电站,务必将安全放在一切需要考虑的问题之首。储能电站作为经营单位,经济效益也很重要,应该使用能量转换效率高、寿命长、造价和运行成本低、适当兼顾比能量的电池。因此,当前应高度重视新型水电解液电池的发展与应用:

  1.大力发展能量转换效率高于80%、造价低于2元/瓦时、循环寿命达10000次的新型液流电池;现有液流电池也应提高到这个水平。

  2.在持续治理铅污染的同时,积极支持研制比能量大于50瓦时/千克、循环寿命达3000次、价格低于0.6元/瓦时的新技术铅酸电池。

  3.鼓励发展比能量大于50瓦时/千克、循环寿命达4000次、价格低于0.8元/瓦时、生产-回收全过程环境友好的新型水电解液储能电池。

  在合适的进、出电价条件下,使用上述电池的蓄电站均有可能取得YCC(规模蓄电技术经济效益的判据)指数达1.0的运行效果,且有较高的安全保障。

  (作者为中国工程院院士)

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  一场动摇钠硫电池前景的火灾

  作为新一代电力存储系统,钠硫电池备受期待,但钠硫电池的电极使用钠,有遇水爆炸的危险,因此灭火时比普通火灾更为困难。但日本却发生了足可以动摇钠硫电池前景的火灾事故。据了解,目前推出钠硫电池产品的公司只有日本礙子(NGK)一家。2011年9月21日上午前7点20分左右,设置于日本茨城县三菱材料筑波制作所内的钠硫电池(日本NGK制)起火引发火灾。直到10月5日下午3点25分大火才终于被扑灭,历时2周之久。日本NGK在事故发生当天成立了事故调查委员会,并同时宣布将暂停生产钠硫电池。

  由于钠硫电池的构造及工作原理,钠硫电池存在以下两大安全风险。第一,由于使用了钠,因此着火时不能浇水。必须采用沙子掩盖等手段来灭火,所以钠硫电池的设置单位及消防机构需要采取特殊措施。第二,由于钠硫电池的工作温度需达300350℃,当电池单元着火时,火势就容易向周围的其他电池单元蔓延,而且控制火势需要大量时间。

  据日本NGK介绍,发生事故的钠硫电池中混入了1个不合格的电池单元,该电池单元的破损导致高温溶融物(液态的钠和硫)从内部流出。每个电池模块分成4个区块,各区块之间设有防止短路及火势蔓延的砂层。但此次溶融物越过砂层流出,因此相邻的区块之间发生了短路。各区块内部设有用来防止大电流持续流过的保险丝,但相邻区块之间则未设置。

  由于区块间发生了短路,随着大电流的连续流过,模块内部开始发热,使更多的电池单元发生破损。这样,在发生火灾的同时,再加上溶融物流出,火势便蔓延到了整个模块,进而使受损范围扩大到了相邻的模块。

  在火灾事故发生后,日本NGK公布了防止事故再次发生的对策,包括在相邻区块间设置保险丝,这样即使发生短路,也可降低大电流连续流过的概率;为防备溶融物流出,在区块间设置防短路板,进一步保证区块间不会因溶融物流出而短路;为避免火势蔓延,在模块间设置防火势蔓延板。

  对于不合格的电池单元嵌入模块的原因,日本NGK推测是制造工序中混入了异物等,这种超出设计允许范围的问题叠加之后,导致安全功能未能发挥作用。但是,有问题的那个电池单元已经烧毁了,所以真正原因无法确定。因此,该公司目前的方针是加强制造工序的管理并对全部产品实施检查,由此来防止不合格的电池单元嵌入模块。

  钠硫电池的单位重量能量密度高达铅蓄电池的约3倍,有望在新一代电网中承担多种作用,比如通过负荷均衡化来降低最大电力使用量(削峰),以及解决可再生能源的功率输出波动问题,等等。因此,旨在普及钠硫电池的环境建立工作也在急速推进之中。

  2007年日本消防法修订了与危险品限制相关的规定,改为允许将不同种类的危险品装入同一容器内运输或储藏,这一措施主要是为了能够轻松设置钠硫电池,因为钠硫电池使用了日本消防法定义为第二类危险品(可燃性固体)的硫,以及定义为第三类危险品(自燃性物质及禁水性物质)的钠。根据这一修订,只要容器及设置场所达到一定标准,即可较轻松地设置钠硫电池。

  不过,此次事故说明钠硫电池的安全技术及火灾对策尚未成熟。实际上,除了上面提到的防止事故再次发生的对策之外,日本NGK还提出了安全强化对策,比如建立用来在早期发现火灾的监控体制、设置灭火防火设备并建立灭火体制,以及制定火灾发生时的逃生线路并建立引导疏散体制,要求客户实施。另外,对于在医院及商业设施等有较多不特定人出入的场所设置钠硫电池的客户,暂时要求他们拆除钠硫电池。

  日本NGK表示如有客户申请拆除即会满足要求,但实际上多数客户都希望继续使用。目前已有众多场所将钠硫电池设置为备用电源,而且性能也很出色,因此钠硫电池的需求今后还有望继续扩大。但正因如此,更需要钠硫电池在安全技术上进一步成熟。

  Kahuku风电场储能电站第三次火灾

  2012年8月1日,烟雾报警器突然响起了,报警发生地是在夏威夷Oahu北侧海岸的一个拥有12台风机、装机容量30兆瓦的Kahuku风电场。这个风电场是第一风能公司开发,该风电场配备了一个Xtreme Power公司提供的15兆瓦的电池,并将生产的电能卖给岛上的社区,这是该电池安装以后的第三次火灾。

  有媒体评论说大火毁坏了一栋重要的建筑,也为Kahuku风能开发的未来带来了不确定因素。储能行业将能够使得风能、太阳能等各种可再生能源变为成社会易用的电能,降低能源的价格,并为零星的海岛提供有效地能源解决方案。但直至目前,储能行业(除了抽水蓄能)还仅仅处在有潜力的阶段。储能行业的电池供应商们正在经受着各种发展期的阵痛。

  消防员直到大火燃烧7小时才进入着火建筑内,因为他们担心那12000个电池燃烧可能带来大量有毒气体。消防部门谈到这座建筑2011年4月曾经发生了一场大火,几乎将大楼整个烧光。今年5月还有一场大火,而这之前的两场大火的起因都是Dyna公司生产的ECI电容器。根据《法庭新闻服务》报道,Xtreme公司已经向法院控诉了Dyna公司。这次大火造成部分建筑倒塌,所幸无人受伤。

  一名消防部门的发言人说,火灾看起来是从电池箱内部或边上开始起火并迅速扩散。Xtreme说,他们正在展开调查,并且电池内无有害材料,也不会对社会造成危害。

  Kahuku风电场从2011年2月开始投入运营,发现烟雾时已被立刻关停。这个风电场储能电站配备了美国最大的储能系统。这套系统也是第一个在美国能源部贷款计划资助下完成的系统,它获注资1.17亿美元,从2010年7月开始建立。该电池采用了弹道级的纤维材料制造,电池内有约一英里的纤维,且电池内部是干燥的,该电池的技术来源于Tracor与福特航空公司为了电动汽车应用共同开发的创新技术。

  Xtreme的化学电容器起到了弥补锂离子电池性能的作用,它采用了干燥、惰性的材料制备,可在常温下运行,不像电网级储能用的纳硫电池。

  第一风电在Haleiwa附近也有一座配备储能系统的风电场,那个风电场也叫Kawailoa工程。这个风电场从6月开始运行,按照他们CEO的话说,它完美地运行着。

  Xtreme的管理层强调过他们提供的不仅是一组电池,还包括一系列的控制、通讯系统,以及他们丰富的电池管理经验与理念,这使得他们与那些只提供电池的公司不同。最近的这些事件也许会证明他们的观点。

  专家认为,与普通的火电站相比,电网级的储能系统还是过于昂贵,也只能在那些输送能源成本较高或较困难送能的地区,比如夏威夷或Kodiak岛等地,以及一些新兴地区(不用再建立全新的电网与发电系统)有一定的实用价值。

  来源:中国能源报

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