用于電力儲(chǔ)能的蓄電池適用性綜合評價(jià)

賴 犁，張 宇

（1.上海電力學(xué)院，上海 200090；2.上海市電力公司，上海 200122）

電力儲(chǔ)能可以用于電網(wǎng)調(diào)峰和提高電網(wǎng)可靠性、改善電能質(zhì)量，為解決電網(wǎng)電量供需不平衡的矛盾提供解決方案，因此也是智能電網(wǎng)的重要組成部分。特別是隨著包括各種新能源可再生能源（風(fēng)能、太陽能等）發(fā)電在內(nèi)的各種分布式電源的發(fā)展，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要性日益凸顯［1］。電力儲(chǔ)能可以采用多種方法，化學(xué)電池是其中最重要的一種，鈉硫電池、全釩液流電池、鎳氫電池、鐵電池和鋰電池等都是目前可以應(yīng)用于電力儲(chǔ)能的新型的動(dòng)力蓄電池。這些電池的性能各有特點(diǎn)，在電力儲(chǔ)能項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)確定蓄電池時(shí)，必須綜合各種利弊得失全面考慮。本文將電力儲(chǔ)能的蓄電池建立一套二級評價(jià)指標(biāo)體系，并對各級指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行了分配，同時(shí)制定了二級評價(jià)指標(biāo)的評分方法。最后對五種已經(jīng)應(yīng)用在電力儲(chǔ)能示范項(xiàng)目中的動(dòng)力電池的綜合性能進(jìn)行評價(jià)，為這些蓄電池的適用性和應(yīng)用前景進(jìn)行排序。

1 綜合評價(jià)指標(biāo)體系的建立

綜合評價(jià)指標(biāo)體系的建立，包括指標(biāo)的選擇和各指標(biāo)權(quán)重的分配。本文采用二級指標(biāo)體系，把蓄電池的環(huán)保性、技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性和安全性作為一級指標(biāo)，每個(gè)一級指標(biāo)下再各設(shè)若干二級指標(biāo)。

1.1 評價(jià)指標(biāo)的選擇

化學(xué)電池要用于電網(wǎng)的儲(chǔ)能，就必須有大容量的蓄電池，但是除了發(fā)展已久的鉛酸電池外，大部分大容量的蓄電池都是初步商業(yè)化的產(chǎn)品或者還在研制和完善中的產(chǎn)品，因此為了對這些蓄電池在電力蓄能中應(yīng)用的潛力做一個(gè)評價(jià)，除了考察這些蓄電池的技術(shù)性能外，還必須考察這些蓄電池的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性，另外環(huán)境保護(hù)也非常重要，一種蓄電池的制造、使用和退役處理必須是環(huán)境友好的。本文將采取環(huán)保性、技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性和安全性4個(gè)指標(biāo)，來考察各種蓄電池的適用性和發(fā)展?jié)摿?，這些指標(biāo)將作為第一層次，然后再各自分解為多個(gè)指標(biāo)作為二級指標(biāo)。

1）環(huán)境友好性 傳統(tǒng)的鉛蓄電池、鎳鎘電池等化學(xué)電池作為儲(chǔ)能元件雖然技術(shù)比較成熟，但是在制造、運(yùn)行和退役回收過程中帶來的對環(huán)境的嚴(yán)重污染，已經(jīng)逐漸被淘汰，因此環(huán)境友好性是衡量蓄電池發(fā)展?jié)摿Φ闹匾阅苤弧Ｒ环N蓄電池的環(huán)境友好性，可以用蓄電池在生產(chǎn)環(huán)節(jié)、運(yùn)行環(huán)節(jié)和處理環(huán)節(jié)中的環(huán)保性來評價(jià)。

2）經(jīng)濟(jì)性 隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的開展，大容量蓄電池的技術(shù)快速發(fā)展，目前已經(jīng)開發(fā)出多種有發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅苄铍姵兀瞧渲幸恍┬铍姵鼗蛘呒夹g(shù)復(fù)雜、或者原料稀缺、或者因?yàn)檫€沒有量化生產(chǎn)，目前的制造成本很高。由于建設(shè)智能電網(wǎng)對儲(chǔ)能裝置需求量較大，蓄電池的合理成本也是影響電池儲(chǔ)能方案選擇的重要因素之一。一種蓄電池經(jīng)濟(jì)性可以用單位容量投資、單位電量投資和投資回收期3個(gè)指標(biāo)來評價(jià)。

3）技術(shù)性能 蓄電池的性能當(dāng)然是電池儲(chǔ)能方案選擇的主要依據(jù)。蓄電池的性能指標(biāo)很多，本文采用其中最重要的循環(huán)壽命、能量轉(zhuǎn)換效率、比容量和能量密度作為評價(jià)蓄電池技術(shù)性能的指標(biāo)。

4）安全可靠性 安全可靠性衡量的是蓄電池運(yùn)行的可靠性，包括穩(wěn)定運(yùn)行能力和對意外事故的抗擊能力，可以用可靠性、穩(wěn)定性和防護(hù)性來評價(jià)。

本文把環(huán)保性、技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性和安全性4個(gè)指標(biāo)作為一級指標(biāo)，一級指標(biāo)包含若干個(gè)二級指標(biāo)組成蓄電池綜合評價(jià)的指標(biāo)體系，見表1。

表1 蓄電池綜合評價(jià)的指標(biāo)和權(quán)重

1.2 指標(biāo)權(quán)重的分配

蓄電池4個(gè)一級指標(biāo)對一個(gè)電力蓄能項(xiàng)目的重要性來說是不一樣的，一級指標(biāo)中的每個(gè)二級指標(biāo)對一級指標(biāo)的重要性也不同，因此要根據(jù)重要性綜合評分要求對各項(xiàng)指標(biāo)根據(jù)重要性進(jìn)行權(quán)重分配。為了更全面更客觀地分配權(quán)重，本文采用專家調(diào)查法，通過問卷的方法征求多位專家的意見，然后綜合這些意見確定綜合評價(jià)體系的權(quán)重。表1中括號內(nèi)的數(shù)值，即該項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。事實(shí)上我國大容量的新型蓄電池技術(shù)的發(fā)展還處在產(chǎn)業(yè)化初期，在電力蓄能項(xiàng)目的方案的設(shè)計(jì)中，蓄電池的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性是最主要的考慮因素，因此采用較高權(quán)重（分別為0.35和0.30），還是比較合理的。

2 指標(biāo)的評分方法

對于二級指標(biāo)，本文采用1～4分對指標(biāo)的好壞進(jìn)行評分。其中環(huán)保性的生產(chǎn)、運(yùn)行和退役后處理的評分都可以采用國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求作出；經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性能的評分可以根據(jù)蓄電池的性能參數(shù)進(jìn)行，見表2～表4。

表2 環(huán)保性指標(biāo)的評分

表3 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的評分

表4 技術(shù)性能指標(biāo)的評分

但是安全可靠性指標(biāo)目前即沒有合適的量化指標(biāo)，也沒有可供參考的標(biāo)準(zhǔn)可以評分依據(jù)，因此只能通過問卷調(diào)查的方法，由多名專家對各種被評價(jià)蓄電池進(jìn)行比較打分，最后綜合專家意見得出最后的評分。

3 幾種蓄電池的綜合評價(jià)

電能的儲(chǔ)存比較困難，是提高電能供應(yīng)、輸配效率和擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域的瓶頸，因此近年來電力的儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展受到了關(guān)注，新型清潔高效的蓄電池也不斷地被開發(fā)。目前可以作為電網(wǎng)儲(chǔ)能的大容量蓄電池，主要有全釩液流電池、鋰電池、鈉硫電池、鐵電池和鎳氫電池等，這些蓄電池都已經(jīng)應(yīng)用在上海電力公司220kV漕溪站、白銀站、前衛(wèi)站3個(gè)電力蓄能示范項(xiàng)目中，示范項(xiàng)目的蓄能總?cè)萘窟_(dá)410kW。本文將利用綜合評價(jià)體系對這些蓄電池作為電網(wǎng)儲(chǔ)能的大容量蓄電元件的適用性進(jìn)行比較，這些項(xiàng)目中的蓄電池的應(yīng)用效果和運(yùn)行情況為本文的評價(jià)提供了依據(jù)。

1）全釩液流電池 全釩液流電池全稱為全釩氧化還原液流電池（VRB），1985年由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Marria Kazacos提出。經(jīng)過近20年的研發(fā)，釩電池技術(shù)已趨成熟。全釩液流電池的制造成本低、循環(huán)壽命長因此經(jīng)濟(jì)性好；全釩液流電池在生產(chǎn)、運(yùn)行和回收過程中污染小，對環(huán)境友好；全釩液流電池的儲(chǔ)能容量大、并且可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)輸出功率和蓄能容量的靈活獨(dú)立設(shè)計(jì)，不過儲(chǔ)能效率和比容量略低。全釩液流電池的安全性較高、充放電轉(zhuǎn)換速度快，迄今為止，全釩液流儲(chǔ)能電池是國際上唯一成功通過了3年風(fēng)能發(fā)電實(shí)際并網(wǎng)應(yīng)用示范的兆瓦以上級大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。我國大連化物所經(jīng)過近10年的積累與創(chuàng)新，在液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的關(guān)鍵材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封技術(shù)、電池模塊和電池系統(tǒng)集成技術(shù)、測試方法及應(yīng)用示范等方面取得了一批重大成果。自主研發(fā)的2KW全釩液流儲(chǔ)能電池至2011年6月4日已無故障運(yùn)行1 429天，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過34 000h，成功實(shí)現(xiàn)1萬次充／放電循環(huán)，電池模塊的能量效率未見明顯衰減。目前，釩電池已經(jīng)成功地應(yīng)用在日本、南非等地已經(jīng)應(yīng)用在電站調(diào)峰、太陽能儲(chǔ)能、風(fēng)能儲(chǔ)能的系統(tǒng)中，已接近商業(yè)化。釩電池的優(yōu)勢及其成功范例展示了釩電池在儲(chǔ)能市場的廣闊前景［2］。

2）鋰電池 根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池（lithium ion battery，簡稱為LIB）和聚合物鋰離子電池（LIP）兩大類。聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致，主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同，鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì)，而聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來代替，這種聚合物可以是“干態(tài)”的，也可以是“膠態(tài)”的，目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。鋰離子電池是20世紀(jì)開發(fā)成功的新型環(huán)保型高能電池，目前技術(shù)比較成熟已廣泛應(yīng)用小型移動(dòng)電器中，如移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等。具有能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長等優(yōu)點(diǎn)。不過目前的鋰電池價(jià)格還比較較貴。

3）鈉硫電池 鈉硫電池由熔融液態(tài)電極和固體電解質(zhì)組成，整個(gè)電池沒有采用對環(huán)境有污染的材料，環(huán)保性能非常好。鈉硫電池的比能量大（理論比760Wh／kg，目前的產(chǎn)品已經(jīng)做到大于100Wh／kg），可大電流、高功率放電（200～300mA／cm2），充放電效率也較高（幾乎100%），但是鈉硫電池的缺點(diǎn)是必須在300～350℃下運(yùn)行。鈉硫電池技術(shù)相對成熟，日本東京電力公司（TEPCO）和NGK公司合作開發(fā)鈉硫電池作為儲(chǔ)能電池應(yīng)用于電站負(fù)荷的削峰平谷，已建成世界上最大規(guī)模（8MW）的儲(chǔ)能鈉硫電池裝置［3］。我國上海電力公司和中科院硅酸鹽研究所合作，2007年已經(jīng)研發(fā)成功650Ah的單體鈉硫電池，2009年已建成2MW的鈉硫電池中試生產(chǎn)線。

4）鐵電池 鐵電池是一種能量密度大、體積小、重量輕、壽命長、無污染的新型化學(xué)電池。鐵電池有高鐵和鋰鐵兩種。高鐵電池比功率可以達(dá)到1kW／kg以上，放電電流是普通電池的3～10倍，特別適合需要大功率、大電流的場合。高鐵電池原料來源豐富價(jià)格便宜，而且生產(chǎn)運(yùn)行無污染，特別是高鐵酸鹽放電后的產(chǎn)物無毒無污染，對環(huán)境友好。不需要回收。但是高鐵電池在生產(chǎn)過程中對工藝要求非常高，制造成本較高，因此目前還不能大規(guī)模實(shí)用化。鋰鐵電池的全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池，鋰鐵電池的安全性能，運(yùn)行的穩(wěn)定性和儲(chǔ)存性能優(yōu)異，循環(huán)壽命較長。鋰鐵電池的原料無毒，整個(gè)生產(chǎn)過程清潔無毒。磷酸鐵鋰電池特別適合于動(dòng)力方面的應(yīng)用，因而被稱為鋰鐵動(dòng)力電池。

5）鎳氫電池 鎳氫電池的技術(shù)比較成熟，運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性好，已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。鎳氫電池采用無毒原料制造，環(huán)保性能也比較好，價(jià)格也比較低。但是鎳氫電池的循環(huán)壽命、能量密度和比容量等技術(shù)性能不夠理想。

利用表1的權(quán)重分配和表2～表4的評分標(biāo)準(zhǔn)，以及專家對各種被評蓄電池安全可靠性的綜合意見，得到的五種蓄電池的綜合評分，見表5。

表5 五種蓄電池的評分

一種蓄電池的綜合評分取決于4個(gè)一級指標(biāo)，可以對加權(quán)以后的4個(gè)一級指標(biāo)得分求和得到；這些一級指標(biāo)的得分取決于所包含的二級指標(biāo)，可以對加權(quán)以后的數(shù)個(gè)二級指標(biāo)得分求和得到。由此得到的這些蓄電池的綜合評分及排名結(jié)果見表6。

表6 五種蓄電池的綜合評分及排名

可以看到，鈉硫電池的綜合評分最高，這是因?yàn)殁c硫電池的各項(xiàng)指標(biāo)的得分都比較高，盡管從單向指標(biāo)來看并非都是最好的，例如經(jīng)濟(jì)性不及全釩液流電池、安全可靠性也不及其他電池。隨著環(huán)保理念的深入，項(xiàng)目的環(huán)保性能已經(jīng)成為最重要考核之一；在市場化的條件下，當(dāng)前的電網(wǎng)電力蓄能項(xiàng)目非常注重項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，由此本文的評價(jià)系統(tǒng)為環(huán)保型和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分配了較高的權(quán)重，而鈉硫電池恰恰在經(jīng)濟(jì)性方面比較突出?？梢哉J(rèn)為鈉硫電池是目前最適合作為電網(wǎng)電力蓄能項(xiàng)目的蓄電池。

4 結(jié)語

能源緊缺氣候變暖是當(dāng)期社會(huì)面臨的最大問題，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，增加清潔能源比例和提高能源利用效率是今后能源技術(shù)進(jìn)步的方向，新能源可再生能源的利用最后都必須轉(zhuǎn)換成電能才能有效利用，電能的儲(chǔ)存技術(shù)是可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的技術(shù)瓶頸，因此加速發(fā)展清潔高效的大容量蓄電池非常重要。本文為電網(wǎng)電力儲(chǔ)能的蓄電池建立了一套綜合評價(jià)方法，可以為電網(wǎng)電力儲(chǔ)能的蓄電池研究方向的確定提供參考意見，也可以為當(dāng)前電網(wǎng)電力儲(chǔ)能項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。當(dāng)然，隨著蓄電池技術(shù)的進(jìn)步，更先進(jìn)的大容量蓄電池還會(huì)不斷出現(xiàn)，目前已有的蓄電池在技術(shù)上也可能有所突破，因此本文給出的五種蓄電池比較結(jié)果可能會(huì)變化。不過這種綜合評價(jià)的思路應(yīng)當(dāng)不會(huì)過時(shí)，通過對這種方法的進(jìn)一步完善，可以繼續(xù)為電網(wǎng)電力儲(chǔ)能的蓄電池的研制和應(yīng)用提供幫助。

［1］張 宇，俞國勤，施明融，等.電力儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用前景分析［J］.華東電力，2008，36（4）：91－93.

［2］崔艷華，孟凡明.釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景［J］.電源技術(shù)，2005（11）：77－81.

［3］王振文，劉文華.鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中國科技信息，2006（13）：41－44.