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楊峪生院士:電池儲能電站的安全性問題
來源:全球電池網 日期:2014-5-19 作者:全球電池網 點擊:

化學電池儲能電站有很多優點,在可再生能源發展中應該很好地加以利用。但是。化學電池也有缺點,其中最重要的是安全性問題。我們必須承認電池組是一種含高能物質的部件,具有危險性的本質。而且,隨著電池比能量和比功率的提高,發生事故的危險性將增大。

安全性的衡量尺度

安全性的實質就是事故概率。安全因素控制得好,發生危險事故的概率就降低。影響電池安全事故的因素應包括電池的品種、設計水平、生產質量、總容量、使用時間的長短、安全措施的有效性、使用的合理性、其它(意外)因素等,其中電池的品種最為根本。

安全性既然是一個事故概率問題,它就可以用數值來表示。例如在核反應堆設計時,安全性要達到10-5或10-6/堆 年;而對于飛機,安全性要達到飛行109小時無機毀人亡事故。要達到如此低的事故概率,除了要有高水平的設計、制造外,還要在運行中有一套嚴密的操作規程和嚴格的維修保養制度來保障。

隨著可再生能源的發展,化學電池儲能電站建設已經逐步展開,化學電池儲能電站的安全性問題(事故概率)應該及時地加以認真研究。

鈉硫電池的安全性

近5-6年來,我們曾經一再指出鈉硫電池的安全性差。可是,企業片面地從“技術新穎性”出發,先是全力支持國內研發,后又熱衷于高價購買日本礙子(NGK)公司制造的鈉硫電池儲能電站,并稱日本的幾十座鈉硫電池儲能電站20年來未發生事故。事有湊巧,正與日商討價還價之際,2011年2月和9月日本接連燒掉兩座鈉硫電池儲能電站,尤其是三菱材料筑波制作所的那座鈉硫電池儲能電站,于2011年9月21日7時20分左右發生火災,經掩蓋沙子等滅火手段,到當天16時左右火勢方才轉弱,但未完全撲滅,直到10月5日下午3時25分大火才最終熄滅,共燒了整整兩星期。其后,NGK公司要求客戶在事故原因查明之前暫時停止使用鈉硫電池,并同時宣布暫停生產鈉硫電池。

至此,我方購買日本鈉硫電池儲能電站之事方肯“暫停”了。

可以粗略地估算出日本鈉硫電池儲能電站的事故概率大于10-3/站·年,換句話說,建1000座與日本平均容量相當的鈉硫電池儲能電站,每年可能燃燒的就不止一座。

此事提醒人們,大規模使用儲能電池時,應該參考核電站那樣事先認真評估其安全性。

鋰離子電池的安全性

鋰離子電池中的電解液是用易燃的溶劑配制而成,正、負電極上的氧化劑和還原劑只隔一層約20微米厚的隔膜,在達到一定溫度時氧化劑和還原劑均易與電解液發生大量生熱的化學反應,電池組又是在高電壓、大電流下運行。

現在,電動公交車的鋰離子電池裝載量約為200千瓦時,事故率已不低(10-3/車·年)。一個20兆瓦時的儲能電站的電池容量大于電動公交車百倍,如用品質相當的鋰離子電池,其事故概率就有可能也將大百倍,即可達到10-1/站·年(10年可能燒一次)。

可見,鋰離子電池的安全性也值得重視。要將使用電池(特別是鋰離子電池)作為使用易燃、易爆物品和高電壓器件一樣對待,要制定并嚴格執行安全設計標準和使用規范。

與鋰離子電池類似的有機電解液超級電容器,具有高比功率、超長壽命、較高電壓等突出優點,可解決短時間、大功率儲-放電問題,也有的儲能電站將其與電池并聯使用,以提升和擴展電站的功能。有人認為,這種超級電容器比能量低,安全不會有大問題。但是,美國夏威夷Kahuku島30兆瓦風電場的15兆瓦電池儲能電站,使用了Dyna公司超級電容器,發生三次著火引發大火(2011年4月、2012年5月及8月1日),給人們敲響了警鐘。

水電解液電池的安全性

當前使用最多的水電解液二次電池是金屬氫化物/鎳電池和鉛酸電池,前者的電解液是堿性水溶液,后者是酸性的水溶液。這些電解液泄漏時有腐蝕的危險,不過燃、爆性要低得多,但是也并非絕對不會出問題。2012年4月,山東淄博一輛使用鎳氫電池的公交車發生大火,原因可能是負極儲氫合金與正極氧化鎳用量設計不當,導致電池中積累了氫氣。鉛酸電池在過度充電時也會發生水電解成氫氣和氧氣,不過,這個問題已經解決得比較好。因而鉛酸電池是安全性最高的電池,而且價格低廉,循環壽命和比能量也在不斷提高中。

可以大規模蓄電的液流電池近些年發展迅速,得益于其使用水電解液而具有極低的爆燃危險性。但是,新近出現的鋅-溴液流電池和鋅-氯液流電池,雖然有些優點,但是元素態的溴和氯有毒性和腐蝕性,在大規模蓄電站中使用,務必做好防止有毒氣體泄漏的事故發生。

2011年國內曾有人提出有機電解液的液流電池新體系構想,并欲申請2012年國家863計劃項目。如果,成千上萬立方米的有機電解液成天在儲能電站的復雜管道中流動,一旦發生事故后果將不堪設想。顯然,這樣的有機電解液新體系,已與液流電池的高安全性初衷背道而馳,難有實用前景。

重視新型水電解液電池發展

大規模蓄電的儲能電站,務必將安全放在一切需要考慮的問題之首。儲能電站作為經營單位,經濟效益也很重要,應該使用能量轉換效率高、壽命長、造價和運行成本低、適當兼顧比能量的電池。因此,當前應高度重視新型水電解液電池的發展與應用:

1.大力發展能量轉換效率高于80%、造價低于2元/瓦時、循環壽命達10000次的新型液流電池;現有液流電池也應提高到這個水平。

2.在持續治理鉛污染的同時,積極支持研制比能量大于50瓦時/千克、循環壽命達3000次、價格低于0.6元/瓦時的新技術鉛酸電池。

3.鼓勵發展比能量大于50瓦時/千克、循環壽命達4000次、價格低于0.8元/瓦時、生產-回收全過程環境友好的新型水電解液儲能電池。

在合適的進、出電價條件下,使用上述電池的蓄電站均有可能取得YCC(規模蓄電技術經濟效益的判據)指數達1.0的運行效果,且有較高的安全保障。(楊裕生作者為中國工程院院士)

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