鉛酸蓄電池的二次利用

紀(jì)哲夫，謝歡歡，羅文杰

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鉛酸蓄電池的二次利用

紀(jì)哲夫，謝歡歡，羅文杰

（深圳供電局有限公司，廣東深圳 518000）

目前鉛酸蓄電池的二次利用，主要是在電池報廢之后，將蓄電池拆解后分類、極板回爐、塑料回路、生成原材料這幾方面，而本文主要針對電力系統(tǒng)中報廢的閥控式鉛酸蓄電池在使用科學(xué)的修復(fù)技術(shù)修復(fù)后，應(yīng)用至光伏發(fā)電系統(tǒng)、家庭儲能等場景中的可行性進(jìn)行分析。本文首先分析了電池過早失效的原因主要是硫酸鹽化及缺水，然后簡單介紹了最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的修復(fù)技術(shù)修復(fù)液修復(fù)法，可有效解決鉛酸蓄電池硫酸硫化及缺水問題，并有效恢復(fù)失效電池的容量、降低內(nèi)阻，再分析修復(fù)后電池在儲能領(lǐng)域運(yùn)用的可行性。同時探討了修復(fù)后的閥控式鉛酸蓄電池在家庭光伏發(fā)電儲能、家庭儲能、儲能電站的應(yīng)用方案，并對未來報廢電池在這些領(lǐng)域的應(yīng)用提出了展望。

閥控式鉛酸蓄電池；電池修復(fù)；二次利用；儲能；降低成本

在電力系統(tǒng)中，有2個場景需要大量采用鉛酸蓄電池作為后備能源。一個是電力變電站采用110 V、220 V鉛酸蓄電池組作為電力調(diào)度、控制的后備電源，另一個是電力通信的48 V通信電源柜。而閥控式鉛酸蓄電池又是變電站應(yīng)用最廣的一種，因為這種電池具備安全的閥門裝置，閥門設(shè)計原則要求蓄電池內(nèi)部壓力超過30 kPa時（30 kPa壓力的概念比較抽象，可以理解為一杯茶水對桌面的壓力），閥門就必須打開，也就是說鉛酸閥控蓄電池永遠(yuǎn)不具備爆炸條件，所以這種類型的蓄電池具有高安全性。而至今鋰電池的安全性的問題卻始終未有效解決，如果一個造價幾千萬甚至幾個億的變電站采用鋰電池作為后備電源，如果鋰電池爆炸而毀掉變電站，這是得不償失的。除了安全性高外，鉛酸蓄電池還具備成本低、生產(chǎn)工藝成熟的優(yōu)點(diǎn)，所以在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)，鉛酸蓄電池仍將作為電力系統(tǒng)的最重要的后備電源。

但是目前鉛酸蓄電池雖已基本實現(xiàn)回收再利用，但無組織回收仍占主導(dǎo)地位，克服廢鉛蓄電池回收再生過程的二次污染，是“十三五”期間電池行業(yè)的重要任務(wù)之一。因此將報廢的鉛酸蓄電池修復(fù)后進(jìn)行二次利用，減少電池的報廢量，這對環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

1 二次利用可行性分析

1.1 電力系統(tǒng)鉛酸蓄電池應(yīng)用現(xiàn)狀

在電力系統(tǒng)實行統(tǒng)一采購之后，閥控式鉛酸蓄電池往往在使用3～5年后[1]，其容量已經(jīng)低于國家要求的不低于標(biāo)稱容量80%的要求，同時，目前電網(wǎng)對蓄電池進(jìn)行的管理策略也讓蓄電池維護(hù)人員面臨巨大的壓力。一方面，蓄電池沒有達(dá)到設(shè)計壽命，不能輕易更換新蓄電池；二是即使允許更換新蓄電池，整個審批流程相當(dāng)漫長，在審批期間讓蓄電池帶病工作，嚴(yán)重影響直流系統(tǒng)的安全，也影響到電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。對于低于標(biāo)稱容量80%的電池，無論外觀是否完好，這些蓄電池就是失效的，必須報廢。另外小部分質(zhì)量上乘的電池，使用了8～10年之后也必須報廢。

1.2 電力系統(tǒng)蓄電池失效原因

鉛酸蓄電池失效的原因除了物理性損壞（如外殼臌脹、漏液，電池內(nèi)部短路、開路，極板嚴(yán)重腐蝕，外殼嚴(yán)重?fù)p傷等）外，基本上就是硫酸鹽化與缺水這兩種原因?qū)е耓2]，這在全球范圍內(nèi)已達(dá)成共識，導(dǎo)致上述兩種現(xiàn)象除電池本身質(zhì)量因素外，基本上是因電力系統(tǒng)未能按照鉛酸蓄電池標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)規(guī)范進(jìn)行維護(hù)，未能及時對蓄電池進(jìn)行充放電。

但大多數(shù)已失效的鉛酸蓄電池，外觀仍然是完好的，如果可以進(jìn)行修復(fù)再生，則可繼續(xù)回網(wǎng)使用或在儲能領(lǐng)域應(yīng)用。但以前由于鉛酸蓄電池修復(fù)技術(shù)一直未有技術(shù)突破，修復(fù)后的實際壽命只有很短的時間，這使得電力系統(tǒng)報廢的鉛酸蓄電池在二次利用上比較乏力。

1.3 鉛酸蓄電池修復(fù)技術(shù)成熟

目前，在南方電網(wǎng)公司設(shè)備部的領(lǐng)導(dǎo)下，已經(jīng)在南方電網(wǎng)開展了大量的蓄電池再生修復(fù)推廣工作，大量的鉛酸蓄電池經(jīng)過科學(xué)的再生修復(fù)后，大部分的劣化蓄電池可實現(xiàn)100%恢復(fù)容量，并重新投入電網(wǎng)繼續(xù)工作。從這個角度考慮，實際上已經(jīng)體現(xiàn)了鉛酸蓄電池二次利用的巨大經(jīng)濟(jì)價值。也體現(xiàn)南方電網(wǎng)在節(jié)能環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域跨出很重要的一步。

但在實際的操作過程中，也發(fā)現(xiàn)一些鉛酸蓄電池由于生產(chǎn)工藝不完善等原因，蓄電池嚴(yán)重劣化后，即使經(jīng)過再生修復(fù)處理，蓄電池容量也沒有辦法實現(xiàn)80%以上的容量恢復(fù)，按照標(biāo)準(zhǔn)，這些蓄電池需要納入報廢處理流程。眾所周知，報廢的鉛酸蓄電池，即使按照規(guī)范的報廢流程處理，也會存在較大的環(huán)保問題。更何況國內(nèi)大部分企業(yè)、個人基本未按照規(guī)范的蓄電池報廢處理流程進(jìn)行處理，此舉對環(huán)境污染影響可想而知。但是，這些蓄電池還具備一定的儲能能力，而且在科學(xué)再生修復(fù)后，仍有3～5年的壽命，完全可以將這類報廢的電池作為一般的儲能設(shè)備。

2016年10月中國電力企業(yè)聯(lián)合會已發(fā)布了鉛酸蓄電池二次利用團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CEC 131.2—2016鉛酸蓄電池二次利用[3-7]，標(biāo)準(zhǔn)包含了鉛酸蓄電池二次利用總則、評價分級及成組技術(shù)規(guī)范、電池修復(fù)技術(shù)規(guī)范、電池維護(hù)技術(shù)規(guī)范、電池貯存與運(yùn)輸技術(shù)規(guī)范，該標(biāo)準(zhǔn)為鉛酸蓄電池二次利用提供工作標(biāo) 準(zhǔn)及規(guī)范，更有效促進(jìn)鉛酸蓄電池二次利用的工作開展。

《T/CEC 131.3—2016鉛酸蓄電池二次利用第3部分：電池修復(fù)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中推薦的修復(fù)液修復(fù)法[5]已經(jīng)在南方電網(wǎng)進(jìn)行實踐并推廣，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)此法修復(fù)效果良好，可有效解決鉛酸蓄電池鹽酸硫化及缺水問題，有效恢復(fù)蓄電池的容量、降低內(nèi)阻，是科學(xué)通用的修復(fù)法，這種閥控式鉛酸蓄電池的修復(fù)技術(shù)已經(jīng)成熟，可以大面積推廣。

當(dāng)然，除電網(wǎng)外，采用鉛酸蓄電池的其它行業(yè)也存在大量的蓄電池可以二次利用。表1是相關(guān)行業(yè)的數(shù)據(jù)。

表1 各行業(yè)鉛酸蓄電池二次利用情況

從表1可看出，電力行業(yè)、通信行業(yè)、軍隊等行業(yè)的后備電源鉛酸蓄電池都可以進(jìn)行二次利用，電動自行車蓄電池設(shè)計壽命短，內(nèi)部電解液密度高、腐蝕嚴(yán)重，不適合二次利用。而汽車的啟動電池，由于是富液蓄電池，汽車長期行駛，導(dǎo)致蓄電池極板上活性物質(zhì)脫落，也不具備二次利用價值。

1.4 二次利用經(jīng)濟(jì)收益分析

目前，在世界范圍內(nèi)積極開展的儲能技術(shù)的應(yīng)用研究，脫離不了蓄電池作為儲能的載體。將經(jīng)修復(fù)再生處理后的鉛酸蓄電池應(yīng)用于光伏發(fā)電、儲能技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，可以最大發(fā)揮鉛酸蓄電池的梯次 利用。

如電力系統(tǒng)常規(guī)使用的220 V蓄電池組，常規(guī)配置300 A·h的蓄電池組。假設(shè)蓄電池組的容量是標(biāo)稱容量的70%，即蓄電池還具備200 A·h以上的容量。按0.1C蓄電池標(biāo)準(zhǔn)的充放電容量要求，這個蓄電池組還可以實現(xiàn)==220 V×20 A=4400 W的功率，具備每天==4400 W×10 h=44 kW·h的儲能能力；而一個4400 W的儲能系統(tǒng)，已經(jīng)滿足絕大部分家庭儲能項目的需要。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的修復(fù)液修復(fù)法修復(fù)費(fèi)用一般為新電池的30%以內(nèi)，修復(fù)后的后備電池修復(fù)后壽命按3年計算，以湯淺2 V 300 A·h的新電池為例，新采購的電池為700元左右，在儲能電站以50%容量淺充淺放的方式使用，則每天2次充放電能夠放出1 kW·h。以用電高峰期和低谷期電價差平均約0.6元計算，1只湯淺2 V 300 A·h的鉛酸蓄電池在使用壽命器件能夠產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價值為0.6×(3×365)-700×0.3=447元，綜上所述，修復(fù)后的鉛酸蓄電池在儲能系統(tǒng)的應(yīng)用的可行性是充分的。

另外，按照目前國家對家庭儲能項目的支持政策，再結(jié)合光伏發(fā)電進(jìn)行應(yīng)用。收益首先體現(xiàn)在光伏發(fā)電部分：按照家庭平均太陽能板面積為100平方米，按現(xiàn)在的技術(shù)水平，搭建4500 W的家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)綽綽有余，按照中國中部地區(qū)太陽能發(fā)電的能力，每天按10小時的發(fā)電時間計算，每年按250天可發(fā)電計算，年平均發(fā)電為(4500×10/1000)×250=11250 kW·h。其次是家庭儲能部分：晚上在電價便宜時（凌晨0點(diǎn)至早上8點(diǎn)），也可以把電網(wǎng)工業(yè)用電的電儲存在蓄電池組上，在白天用電高峰，則把蓄電池儲能釋放到電網(wǎng)，4500 W可存儲月均發(fā)電量為(4500×8/1000)×365=13140 kW·h，當(dāng)然在白天無陽光的情況下，可進(jìn)行充放電兩個循環(huán)來獲得更多電量，這部分暫時不計算。目前，光伏發(fā)電國家獎勵0.42元/(kW·h)，賣給電網(wǎng)為0.51元/(kW·h)，而工業(yè)用電波峰電價與波谷電價差額為0.6元左右。光伏發(fā)電結(jié)合家庭儲能應(yīng)用，一個家庭發(fā)電每年 最少可以產(chǎn)生約11250×(0.41＋0.51)＋(13140)×0.6=18234元的收益；現(xiàn)有光伏家庭發(fā)電系統(tǒng)搭建4500 W的帶修復(fù)后蓄電池發(fā)電系統(tǒng)成本為6萬元左右，基本上，光伏發(fā)電結(jié)合家庭儲能項目的投入3年左右就可以收回投資，因此，電力系統(tǒng)報廢電池應(yīng)用于家庭儲能領(lǐng)域是可行的。

若采用新蓄電池搭建儲能電站，由于新蓄電池壽命折損因素，目前，大部分蓄電池折損每儲存一度電的成本普遍高于0.6元，投資回報周期太長，這個也是阻礙儲能電站發(fā)展的主要因素[8]。

1.5 鉛酸蓄電池二次利用的SOH評估

鉛酸蓄電池二次利用，也需要對蓄電池的質(zhì)量進(jìn)行相對的監(jiān)控，不能出現(xiàn)過充電、過放電的現(xiàn)象。

在實際的儲能應(yīng)用中，采用廣州泓淮能源科技有限公司的蓄電池智能管理裝置，直流母線電壓為400 V。常規(guī)采取如圖1所示的方式實現(xiàn)蓄電池二次利用。

該設(shè)備具備如下的特征：①支持不同容量的蓄電池組接入；②支持不同電壓等級的蓄電池接入；③也支持鋰離子電池的二次利用；④每個蓄電池組單獨(dú)充電、放電管理；⑤多組蓄電池組通過蓄電池管理裝置掛接在直流母線上；⑥每個蓄電池單體均安裝單體電壓、溫度采集模塊；⑦每個蓄電池組的充電、放電電壓、電流、容量均可以在蓄電池智能管理裝置上配置。由于蓄電池組每天都在進(jìn)行充電、放電的操作，根據(jù)蓄電池充電、放電的容量就可以輕松判定某蓄電池組的某個單體落后情況。當(dāng)出現(xiàn)劣化比較嚴(yán)重的蓄電池單體時，只需要旁路這個落后單體，在蓄電池智能管理裝置設(shè)置當(dāng)前蓄電池組的單體數(shù)量，系統(tǒng)就可以繼續(xù)工作。采用該方式，降低蓄電池二次利用儲能電站的建造成本與維護(hù)成本。

2 二次利用應(yīng)用場景分析

本文著重介紹可二次利用的鉛酸蓄電池在家庭光伏發(fā)電儲能、家庭儲能、儲能電站這3個場景的應(yīng)用。

2.1 家庭光伏發(fā)電儲能應(yīng)用

光伏發(fā)電是當(dāng)今世界利用太陽能最主要的一種方式。面對當(dāng)今全球面臨的嚴(yán)重化石能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)，光伏發(fā)電從資源可持續(xù)性和環(huán)境友好這兩個角度都具有顯而易見的優(yōu)勢，作為全球新興行業(yè)的一個重要代表，長期來看具有廣闊發(fā)展前景，吸引著大量企業(yè)參與和投資。目前國內(nèi)光伏發(fā)電建設(shè)一直靠國家補(bǔ)貼在緩慢發(fā)展，成本高的問題一直未根本解決，而將報廢的蓄電池應(yīng)用到光伏發(fā)電中，其成本將大幅降低。

如圖2所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池光伏板、蓄電池組、充放電機(jī)、逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)、太陽能跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。

太陽能電池發(fā)電對所用蓄電池組的基本要求有：自放電率低；使用壽命長；深放電能力強(qiáng)；充電效率高；少維護(hù)或免維護(hù)；工作溫度范圍寬；價格低廉。

在當(dāng)前的條件下，如果使用新的蓄電池，成本低廉這個特點(diǎn)是難以得到滿足的。但對于電力系統(tǒng)中結(jié)合著科學(xué)電池修復(fù)技術(shù)提前報廢的電池是可以滿足上述幾點(diǎn)要求的，尤其是價格低廉，這將為光伏發(fā)電系統(tǒng)的真正落地推廣推進(jìn)一大步。

2.2 家庭儲能應(yīng)用

家庭儲能系統(tǒng)儲能的意義之一在于在用電低谷時向電池組充電儲能，用電高峰期時電池組放電回饋電網(wǎng)，對電網(wǎng)進(jìn)行局部錯峰調(diào)谷，均衡用電負(fù)荷。與電網(wǎng)級的儲能應(yīng)用相比，家庭儲能系統(tǒng)更類似于不受城市供電壓力影響的家庭微型電網(wǎng)中的微型儲能電站，為家庭用戶節(jié)省開支。而像太陽能和風(fēng)能等可再生能源會受到天氣影響，一旦發(fā)生意外則難以持續(xù)為用戶續(xù)航，圖3所示這套儲能系統(tǒng)則可以持續(xù)穩(wěn)定的給家庭用戶提供能源供應(yīng)。

如果采用電力系統(tǒng)報廢的電池作為儲能設(shè)備，那么儲能系統(tǒng)的成本也可以大幅下降，壽命也不算短，充電效率相對較高，基本不用維護(hù)，可將電池的作用發(fā)揮到極致。

2.3 儲能電站應(yīng)用

為解決用電高峰無電可用，低峰用電率的問題，國內(nèi)外已有大量的人員在建設(shè)儲能電站?，F(xiàn)有的儲能電站大致可以分為物理儲能、化學(xué)儲能、電磁儲能三種。其中化學(xué)儲能方式對于周圍的要求是最低的，而鉛酸蓄電池又是作為化學(xué)儲能中應(yīng)用最廣的一種儲能設(shè)備，如圖4所示為儲能電站示意圖。目前的技術(shù)水平為直接使用新的蓄電池，成本居高不下，從而導(dǎo)致儲能的意義不大，如果能把成本降低了，那建設(shè)這類儲能電站才有真正的意義。如果將電力系統(tǒng)報廢的電池應(yīng)用到圖4的架構(gòu)中，再配合科學(xué)的電池修復(fù)技術(shù)，成本會大幅度降低。

3 結(jié) 論

綜上所述，電力系統(tǒng)中過早失效的那些鉛酸蓄電池，配合科學(xué)的鉛酸蓄電池修復(fù)技術(shù)修復(fù)后，可以大刀闊斧應(yīng)用到光伏發(fā)電儲能、家庭儲能和儲能電站中，從而實現(xiàn)報廢鉛酸蓄電池二次應(yīng)用，擴(kuò)長其壽命時間，減少鉛酸蓄電池的使用量，從而降低這類電池對環(huán)境的污染。最終可緩解高峰無電可用，低峰電無人用而浪費(fèi)的問題，大大提升電力系統(tǒng)的價值，更加方便企業(yè)、家庭用電，這對電網(wǎng)的發(fā)展存在重大的意義。

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The secondary utilization of VRLA battery

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(Shenzhen Power Supply Bureau Co. Ltd., Shenzhen 518000, Guangdong, China)

The recently research for secondary utilization of VRLA Battery mainly refer to scrapped batteries disassembling, classifying, plate melting and plastic recycling technology to produce the raw materials In this paper, we discussed the feasibility of applying secondary utilization of VRLA Battery in the power system, which have been repaired with scientific method, to several scenes such as family storage etc. This paper first analyzes the causes of premature battery failure is lack of water and sulfation, and then briefly introduces the newest industry standards recommend repair technique, which can effectively solve the problem of water shortage and sulfation, and then recover the battery capacity and reduce the internal resistance, also analysis the feasibility of the application of VRLA battery after repaired in energy storage; Finally, We also discussed the application schemes of applying recovered valve regulated lead-acid batteries in the field of domestic photovoltaic energy storage, household energy storage and energy storage power station. And the future of secondary utilization of VRLA Battery using in these areas is prospected as well.

VRLA battery; battery regeneration and restoration; secondary utilization; stored energy; cost reduction

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0101

TQ 028.8

A

2095-4239（2016）02-250-05

2016-11-28；修改稿日期：2017-01-04。

紀(jì)哲夫（1984—），男，高級工程師，主要研究方向為變電站直流系統(tǒng)的技術(shù)研究，E-mail：419124@qq.com。