鈉硫電池在電力能源儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用

來源：存能電氣  日期：2019-04-16 20:18  瀏覽量：次

　　鈉硫電池在電力能源儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用。滿足大規(guī)模儲(chǔ)能要求的蓄電池主要有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)。鈉硫電池能量高、壽命長(zhǎng)，是大型可再生能源儲(chǔ)能、電網(wǎng)負(fù)荷平定和大功率應(yīng)急電源的首選電池。隨著國(guó)內(nèi)鈉硫電池本體性能和保溫箱模塊集成技術(shù)的不斷提高，一旦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，則大型電力儲(chǔ)能項(xiàng)目會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速增加。

　　鈉硫電池：通常情況下，鈉硫電池由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜和外殼組成，與一般二次電池（鉛酸電池、鎳鎘電池等）不同，鈉硫電池是由熔融電極和固體電解質(zhì)組成，負(fù)極的活性物質(zhì)為熔融金屬鈉，正極活性物質(zhì)為液態(tài)硫和多硫化鈉熔鹽。鈉硫電池（NaS）作為一種新型化學(xué)電源，自問世以來已有了很大發(fā)展。鈉硫電池體積小、容量大、壽命長(zhǎng)、效率高，在電力儲(chǔ)能中廣泛應(yīng)用于削峰填谷、應(yīng)急電源、風(fēng)力發(fā)電等儲(chǔ)能方面。

　　鈉硫電池在電力能源儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用

　　第一種是用于變電站負(fù)荷平定(包括削峰填谷)；

　　第二種是用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，主要是平抑間歇式能源對(duì)電網(wǎng)的沖擊，起到穩(wěn)定電網(wǎng)的作用；

　　第三種是輔助備用，起到旋轉(zhuǎn)備用和應(yīng)急備用的功能。

　　目前NGK的鈉硫電池已經(jīng)成功地應(yīng)用于城市電網(wǎng)的儲(chǔ)能中，有200余座500kW以上功率的鈉硫電池儲(chǔ)能電站，日本等國(guó)家投入商業(yè)化示范運(yùn)行，電站的能量效率達(dá)到80%以上。

　　日前據(jù)悉，日本NGK公司生產(chǎn)部署的鈉硫（NAS）電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)的首都阿布扎比大規(guī)模投入使用。該公司的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)部署在10個(gè)地點(diǎn)，總共15個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，其總儲(chǔ)能容量高達(dá)108MW/648MWh，每個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)6小時(shí)的電能。這些儲(chǔ)能系統(tǒng)分別為12個(gè)4MW儲(chǔ)能系統(tǒng)和3個(gè)20MW儲(chǔ)能系統(tǒng)。雖然世界各地的許多電網(wǎng)規(guī)模電池儲(chǔ)能項(xiàng)目目前正在使用鋰離子電池，但在這種情況下，使用鈉硫電池可以提供6小時(shí)儲(chǔ)能出于推遲投資發(fā)電廠的強(qiáng)制性要求。

　　此外，鈉硫電池儲(chǔ)能站還被應(yīng)用于可再生能源發(fā)電的儲(chǔ)能，對(duì)風(fēng)力發(fā)電等的輸出進(jìn)行穩(wěn)定。如在日本的八角島，一座400kW的鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與500kW的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)配套，保證了風(fēng)力發(fā)電輸出的完全平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了與電網(wǎng)的安全對(duì)接。

　　鈉硫電池非常適用于大容量的使用——每天從100%充電狀態(tài)到0%的全周期充電和放電，即達(dá)到了100%放電深度，這使得推遲投資發(fā)電廠成為可能。鈉硫電池的使用壽命預(yù)計(jì)為15年，并且在此期間，不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)性能退化。

　　為什么大規(guī)模儲(chǔ)能選擇鈉離子電池？

　　1.低廉的資源前驅(qū)體材料價(jià)廉易得，滿足對(duì)規(guī)模供給和低價(jià)的需求；鈉離子電池的配件相應(yīng)的比鋰離子電池要便宜，另外鈉的化合物可以作為電極材料，這也是降成本的一個(gè)主要方向。

　　2.高的倍率性能能夠適應(yīng)響應(yīng)型儲(chǔ)能和規(guī)模供電；儲(chǔ)能設(shè)備需要滿足間歇的大規(guī)模儲(chǔ)能，近期鈉離子電池研究證實(shí)鈉離子電池具備高容量下長(zhǎng)期循環(huán)的能力。

　　3.工況要求低能夠滿足所有氣候條件下應(yīng)用，不完全依賴溫度調(diào)節(jié)設(shè)備；

　　4.可回收避免環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)回收再利用的閉環(huán)。

　　鈉硫電池的性能特點(diǎn)

　　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(dòng)、低噪聲，利于環(huán)境保護(hù)；

　　鈉硫電池的理論比能量高達(dá)760Wh/kg，沒有自放電現(xiàn)象，放電效率幾乎可達(dá)100%；

　　單體的額定電壓為2V，我國(guó)目前設(shè)計(jì)容量達(dá)到650Ah，功率120W以上；將多個(gè)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(lián)可以很容易達(dá)到兆瓦級(jí)，直接用于大型儲(chǔ)能；

　　鈉硫電池循環(huán)充放電次數(shù)按300次/a(90%DOD)計(jì)算，其壽命可以達(dá)到15a左右；另外，其重量和體積僅為鉛酸電池的1/5～1/3；

　　鈉硫電池的工作溫度為290～360℃，要通過保溫箱進(jìn)行模塊封裝和集成。溫控系統(tǒng)的好壞直接影響到鈉硫電池的工作狀態(tài)和壽命。

　　總的來說，鈉硫電池持續(xù)使用壽命大概在15年，它是電能存儲(chǔ)最有效的一個(gè)方式，持續(xù)放電可以達(dá)到6.8小時(shí)。預(yù)防性的維護(hù)是最少的，并且可以針對(duì)部分集裝箱進(jìn)行維護(hù)，系統(tǒng)其他部分可以正常運(yùn)行。高速響應(yīng)，通過配備高速的儲(chǔ)能雙向逆變器響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到毫秒級(jí)別，毫秒級(jí)別響應(yīng)電網(wǎng)的存儲(chǔ)和電網(wǎng)的命令。

　　緊湊化，鈉硫電池的比能量特別高，所以它可以安裝在其他電池技術(shù)非常狹小的空間之內(nèi)。高可靠性，由于系統(tǒng)幾十年的累計(jì)經(jīng)驗(yàn)，鈉硫電池已被現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)證，在基于單個(gè)模塊下的可靠性可以達(dá)到99%，基于整個(gè)系統(tǒng)的可靠性能達(dá)到更高。鈉硫電池的安全性，經(jīng)過幾十年的經(jīng)驗(yàn)，由日本NGK公司還有很多第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行的一個(gè)全面的驗(yàn)證評(píng)估。從它的分布也可以看到，拿來電池可以安全穩(wěn)定的運(yùn)行在，從加拿大寒冷的冬天到位于阿聯(lián)酋阿布扎比這樣一個(gè)赤道地區(qū)。

　　鈉硫電池發(fā)展現(xiàn)狀和前景

　　鈉硫電池能量高、壽命長(zhǎng)，是大型可再生能源儲(chǔ)能、電網(wǎng)負(fù)荷平定和大功率應(yīng)急電源的首選電池。目前，國(guó)內(nèi)還沒有建成鈉硫儲(chǔ)能電站。中科院硅酸鹽所和上海電力公司合作開發(fā)的大容量?jī)?chǔ)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(shù)成熟度在進(jìn)一步提高中。

　　國(guó)內(nèi)電力儲(chǔ)能市場(chǎng)巨大。按2010年國(guó)家電網(wǎng)對(duì)清潔能源做出的預(yù)計(jì)，到2020年，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)和太陽能發(fā)電裝機(jī)將分別達(dá)到1.5億kW和2000萬kW，按20%的容量配置儲(chǔ)能，僅可再生能源發(fā)電領(lǐng)域就有3400萬kW的儲(chǔ)能市場(chǎng)需求。如果1000萬kW采用鈉硫電池，按15元/W估算，產(chǎn)值可以達(dá)到1500億元。隨著國(guó)內(nèi)鈉硫電池本體性能和保溫箱模塊集成技術(shù)的不斷提高，一旦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，則大型電力儲(chǔ)能項(xiàng)目會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速增加。

　　目前正在運(yùn)行的風(fēng)電用最大功率的34MW鈉硫電池儲(chǔ)能站及用于風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定輸出中。鈉硫電池有望使電價(jià)達(dá)到32美分/千瓦時(shí)，成為最經(jīng)濟(jì)最有前景的儲(chǔ)能電池之一。

　　以上就是鈉硫電池在電力能源儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，事實(shí)上，任何儲(chǔ)能系統(tǒng)都是能量聚集系統(tǒng)，都存在安全隱患。由于采用陶瓷做固體隔膜，沒有氣體存在，因此不會(huì)爆炸。跟某些其他電池比起來，鈉硫電池事故率很低。