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杨裕生院士:电池储能电站的安全性问题

作者: 来源:中国能源报 发布时间:2012-09-12 浏览:
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     中国储能网讯: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。

关键字:杨裕生 院士 电池储能电站

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