鉅大LARGE | 點擊量：2683次 | 2021年12月09日
最適合大規模儲能系統？鈉硫電池的應用前景在哪？
在電力系統中，為了調頻、調峰和穩定電網，經常要引入電力儲能裝置。儲能系統按原理可以分為抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能、超級電容儲能和蓄電池儲能。
近些年，由于大功率動力鋰離子電池技術的不斷成熟，蓄電池儲能技術得到了長足發展。滿足大規模儲能要求的蓄電池重要有4種，分別是鈉硫電池(NaS)、鉛酸電池(LA)、氧化還原礬電池(VRB)和鋅溴電池(ZnBr)。
從功率供應能力、能量效率、安裝成本、額定功率放電能力、安裝場地要求、維護要求等多因素綜合考慮，鈉硫電池的總體特性最適合大規模儲能系統應用。
1NaS電池的原理與特性
鈉硫電池是美國福特(Ford)公司于1967年首先發明公布的，發明的初衷是用于電動汽車。鈉硫電池采用管式設計，以中心負極為主。單體容量650Ah的電池重量約為8～9kg，如圖1所示，內管為β-Al2O3陶瓷材料，管內盛放的金屬鈉為負極材料；外管為合成材料或不銹鋼金屬材料，管內盛放的非金屬硫(石墨氈作導電載體)為正極材料。鈉硫電池正常工作要加熱到290℃以上，溫度穩定后才能進行充放電。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
由于β-Al2O3同時充當電解質和隔膜，由于它只傳導鈉離子，所以鈉硫電池充放電過程中沒有副反應發生；另外，由于充放電過程中電池化學反應相應的吸熱和放熱用途，要響應速度快、高穩定性的溫控系統。
鈉硫電池單體的比能量高，可大電流、高功率放電，無放電污染、無振動、低噪聲，利于環境保護；鈉硫電池的理論比能量高達760Wh/kg，沒有自放電現象，放電效率幾乎可達100%；單體的額定電壓為2V，我國目前設計容量達到650Ah，功率120W以上；將多個單體電池組合后形成模塊。模塊的功率通常為幾十千瓦，通過模塊串聯可以很容易達到兆瓦級，直接用于大型儲能；循環充放電次數按300次/a(90%DOD)計算，其壽命可以達到15a左右；另外，其重量和體積僅為鉛酸電池的1/5～1/3。與其他蓄電池不同的是，鈉硫電池的工作溫度為290～360℃，要通過保溫箱進行模塊封裝和集成。溫控系統的好壞直接影響到鈉硫電池的工作狀態和壽命。
2NaS電池的儲能應用現狀
NGK公司和日本東京電力公司(TEPCO)1983年起合作開發鈉硫電池，并于2002年開始進入商品化執行階段。作為全球唯一一家鈉硫電池產業化公司，NGK公司將NaS電池定位于儲能應用，其目標瞄準負荷平定(LL，LoadLeveling)、不間斷電源(UPS，UninterruptedPowerSupply)、應急電源(EPS，EmergencyPowerSupply)等應用。鈉硫電池儲能系統按應用類型分重要有3種：
第一種是用于變電站負荷平定(包括削峰填谷)；
第二種是用于可再生能源發電系統，重要是平抑間歇式能源對電網的沖擊，起到穩定電網的用途；
第三種是輔助備用，起到旋轉備用和應急備用的功能。
另外鈉硫電池在輸配電系統的有功、無功支持及多功能電能儲存系統中也有良好的應用前景。1992年～2007年，全球鈉硫電池儲能應用共計196個項目，安裝容量270MW。其中，各種應用所占的比例如圖2所示，用于LL的安裝容量最大，有接近120MW。用于LL+EPS和LL+UPS模式的總安裝容量有100MW左右。用于新能源領域的不到40MW。用于科研和其他應用的只有一小部分。
截止到2009年初，全球已經建成了超過200個項目，總計超過300MW，2000MWh。其中絕大部分項目在日本，少部分在美國和德國。美國有9MW已經投入運行，另外有10MW的項目由于時間調整推遲6到12個月。2006年，美國第一個兆瓦級的儲能項目(1MW)由美國電力公司(AEP)主持完成；2008年，最大規模的風電儲能電站(34MW)在日本建成；另外法國留尼汪島(1MW)和阿聯酋(共50MW)用于負荷平定的項目也在計劃建設中。
2002年，美國從NGK公司購買了鈉硫電池，在俄亥俄州建成了第一個100kW/500kVA的示范電站。因此AEP獲得了幾年內以低價格購買鈉硫電池的優惠權。2006年，西弗吉尼亞州的查爾斯頓建成了美國第一個兆瓦級的鈉硫儲能電站。項目中采用的鈉硫電池參數如表1所示，額定功率是1MW，峰值功率是1.2MW，能供應的最大能量為7.2MWh，可以為500～600個家庭供應6～7h的電能。電池在夜間用電低谷期充電，在白天用電高峰期放電。這樣可以在一定程度上保證查爾斯頓周邊地區的夏季用電供應。同時將電力設備更新的時間推遲了6～7a。
美國NaS電池項目中的價格組成如圖3所示，其中鈉硫電池的成本占到了總成本的45%。
為了延長電池壽命只用了電池能量(7.2MWh)的83%～90%。在前11個月的運行中，按當地的電費計算，共節約S57000。其中最多的一個月(2006年八月)是S11300，最少的一個月(2006年九月)是S2400。
美國建成的另一個額定功率2MW的公交車天然氣補給站儲能系統，用于低谷儲電、高峰放電，降低220輛公交車燃料補給費用。通過合理的控制，該儲能電站每年可節約S246500。
中科院硅酸鹽所于2006年與上海市電力公司合作，在國家“七五”到“十五”期間車用小容量鈉硫電池研發的基礎上，開發650Ah大容量鈉硫儲能電池。目前開發的電池正在模塊成組測試過程中反復進行改進，現已建成2MW大容量鈉硫單體電池中試生產示范線；2009年九月，10MW儲能系統演示成功；2010年上海世博會期間，100kW/800kWhNaS儲能系統已作為上海世博園智能電網綜合示范工程的一部分在上海硅酸鹽所嘉定南門產業化基地啟動運行。
世界首富比爾·蓋茨在2016年四月，向專門研制鈉電池的初創公司AquionEnergy的C輪融資投了3500萬美元。而在去年一月，該公司宣布C輪融資金額由3500萬美元上調至5500萬美元，在新增的2000萬美元的股東名單中，位列第一的又是比爾·蓋茨。
3NaS電池儲能系統組成及關鍵技術
典型儲能系統由變電站系統、功率轉換系統(PCS，PowerConversionSystem)、儲能電池及電池管理系統(BMS，BatteryManagementSystem)以及監控系統組成。有3個直流支路的儲能系統結構如圖4所示。
其中，BMS重要功能是監測電池的電壓、電流、溫度等參數，估算電池荷電狀態(SOC，StateofCharge)和健康狀態(SOH，StateofHealth)，根據電池特性實時判斷當前允許的充放電電流允許值，實時進行故障診斷和數據上傳，同時在極端情況下直接切斷支路接觸器，確保系統安全。
溫控系統接收到BMS的溫度信息，實時進行溫度控制，確保電池在合理的溫度范圍內工作。
PCS重要實現電池的充放電控制、信息指示、故障判斷與上傳及保護功能(交直流異常保護、短路保護、功率器件過溫保護和防雷擊保護等)。鈉硫電池單體在充放電過程中，電壓在1.5V～2.4V之間波動，支路電壓的變化非常大。這就給傳遞功率的控制帶來困難。因此，PCS系統要設計兩級：先通過雙向DC-DC斬波器得到穩定的直流電壓，降低電流紋波；再通過DC-AC變流器接入交流電網。
監控系統通過與BMS通信監視鈉硫電池組的運行參數，記錄BMS運行的數據；通過與PCS通信監視電池組充放電情況，并能夠將事先設置好的或者自含義的充放電策略下發到PCS。此外，變電站原有的遠端測控單元(RTU，RemoteTerminalUnit)信息(儲能系統所用站內二次設備)、技防系統及變壓器側電度表讀數(記錄充、放電過程中釋放、消耗的電量)等也要一并連入儲能監控系統。
4結束語
鈉硫電池能量高、壽命長，是大型可再生能源儲能、電網負荷平定和大功率應急電源的首選電池。目前，國內還沒有建成鈉硫儲能電站。中科院硅酸鹽所和上海電力公司合作開發的大容量儲能鈉硫電池還處于示范階段，另外保溫箱控制、模塊集成、BMS和PCS技術成熟度在進一步提高中。
國內電力儲能市場巨大。按2010年國家電網對清潔能源做出的預計，到2020年，我國風電裝機和太陽能發電裝機將分別達到1.5億kW和2000萬kW，按20%的容量配置儲能，僅可再生能源發電領域就有3400萬kW的儲能市場需求。假如1000萬kW采用鈉硫電池，按15元/W估算，產值可以達到1500億元。隨著國內鈉硫電池本體性能和保溫箱模塊集成技術的不斷提高，一旦實現商業化，則大型電力儲能項目會在短時間內迅速新增。
（來源：北京交通大學電氣工程學院）
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