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      • 山東淄博鎳氫電池的公交車發生大火電池儲能電站的安全
      • 發布時間:2018/10/31 21:09:41
      • 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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          一場動搖鈉硫電池前景的火災

          作為新一代電力存儲系統,鈉硫電池備受期待,但鈉硫電池的電極使用鈉,有遇水爆炸的危險,因此滅火時比普通火災更為困難。但日本卻發生了足可以動搖鈉硫電池前景的火災事故。據了解,目前推出鈉硫電池產品的公司只有日本礙子(NGK)一家。2011年9月21日上午前7點20分左右,設置于日本茨城縣三菱材料筑波制作所內的鈉硫電池(日本NGK制)起火引發火災。直到10月5日下午3點25分大火才終于被撲滅,歷時2周之久。日本NGK在事故發生當天成立了事故調查委員會,并同時宣布將暫停生產鈉硫電池。

          由于鈉硫電池的構造及工作原理,鈉硫電池存在以下兩大安全風險。第一,由于使用了鈉,因此著火時不能澆水。必須采用沙子掩蓋等手段來滅火,所以鈉硫電池的設置單位及消防機構需要采取特殊措施。第二,由于鈉硫電池的工作溫度需達300—350℃,當電池單元著火時,火勢就容易向周圍的其他電池單元蔓延,而且控制火勢需要大量時間。

          據日本NGK介紹,發生事故的鈉硫電池中混入了1個“不合格”的電池單元,該電池單元的破損導致高溫溶融物(液態的鈉和硫)從內部流出。每個電池模塊分成4個區塊,各區塊之間設有防止短路及火勢蔓延的砂層。但此次溶融物越過砂層流出,因此相鄰的區塊之間發生了短路。各區塊內部設有用來防止大電流持續流過的保險絲,但相鄰區塊之間則未設置。

          由于區塊間發生了短路,隨著大電流的連續流過,模塊內部開始發熱,使更多的電池單元發生破損。這樣,在發生火災的同時,再加上溶融物流出,火勢便蔓延到了整個模塊,進而使受損范圍擴大到了相鄰的模塊。

          在火災事故發生后,日本NGK公布了防止事故再次發生的對策,包括在相鄰區塊間設置保險絲,這樣即使發生短路,也可降低大電流連續流過的概率;為防備溶融物流出,在區塊間設置防短路板,進一步保證區塊間不會因溶融物流出而短路;為避免火勢蔓延,在模塊間設置防火勢蔓延板。

          對于不合格的電池單元嵌入模塊的原因,日本NGK推測是“制造工序中混入了異物等,這種超出設計允許范圍的問題疊加之后,導致安全功能未能發揮作用”。但是,有問題的那個電池單元已經燒毀了,所以真正原因無法確定。因此,該公司目前的方針是加強制造工序的管理并對全部產品實施檢查,由此來防止不合格的電池單元嵌入模塊。

          鈉硫電池的單位重量能量密度高達鉛蓄電池的約3倍,有望在新一代電網中承擔多種作用,比如通過負荷均衡化來降低最大電力使用量(削峰),以及解決可再生能源的功率輸出波動問題,等等。因此,旨在普及鈉硫電池的環境建立工作也在急速推進之中。

          2007年日本消防法修訂了“與危險品限制相關的規定”,改為允許將不同種類的危險品裝入同一容器內運輸或儲藏,這一措施主要是為了能夠輕松設置鈉硫電池,因為鈉硫電池使用了日本消防法定義為第二類危險品(可燃性固體)的硫,以及定義為第三類危險品(自燃性物質及禁水性物質)的鈉。根據這一修訂,只要容器及設置場所達到一定標準,即可較輕松地設置鈉硫電池。

          不過,此次事故說明鈉硫電池的安全技術及火災對策尚未成熟。實際上,除了上面提到的防止事故再次發生的對策之外,日本NGK還提出了安全強化對策,比如“建立用來在早期發現火災的監控體制”、“設置滅火防火設備并建立滅火體制”,以及“制定火災發生時的逃生線路并建立引導疏散體制”,要求客戶實施。另外,對于在醫院及商業設施等有較多不特定人出入的場所設置鈉硫電池的客戶,暫時要求他們拆除鈉硫電池。

          日本NGK表示如有客戶申請拆除即會滿足要求,但實際上多數客戶都希望繼續使用。目前已有眾多場所將鈉硫電池設置為備用電源,而且性能也很出色,因此鈉硫電池的需求今后還有望繼續擴大。但正因如此,更需要鈉硫電池在安全技術上進一步成熟。(劉一丁/摘編)

          Kahuku風電場儲能電站第三次火災

          2012年8月1日,煙霧報警器突然響起了,報警發生地是在夏威夷Oahu北側海岸的一個擁有12臺風機、裝機容量30兆瓦的Kahuku風電場。這個風電場是“第一風能”公司開發,該風電場配備了一個Xtreme Power公司提供的15兆瓦的電池,并將生產的電能賣給島上的社區,這是該電池安裝以后的第三次火災。

          有媒體評論說大火毀壞了一棟重要的建筑,也為Kahuku風能開發的未來帶來了不確定因素。儲能行業將能夠使得風能、太陽能等各種可再生能源變為成社會易用的電能,降低能源的價格,并為零星的海島提供有效地能源解決方案。但直至目前,儲能行業(除了抽水蓄能)還僅僅處在“有潛力”的階段。儲能行業的電池供應商們正在經受著各種發展期的陣痛。

          消防員直到大火燃燒7小時才進入著火建筑內,因為他們擔心那12000個電池燃燒可能帶來大量有毒氣體。消防部門談到這座建筑2011年4月曾經發生了一場大火,幾乎將大樓整個燒光。今年5月還有一場大火,而這之前的兩場大火的起因都是Dyna公司生產的ECI電容器。根據《法庭新聞服務》報道,Xtreme公司已經向法院控訴了Dyna公司。這次大火造成部分建筑倒塌,所幸無人受傷。

          一名消防部門的發言人說,火災看起來是從電池箱內部或邊上開始起火并迅速擴散。Xtreme說,他們正在展開調查,并且電池內無有害材料,也不會對社會造成危害。

          Kahuku風電場從2011年2月開始投入運營,發現煙霧時已被立刻關停。這個風電場儲能電站配備了美國最大的儲能系統。這套系統也是第一個在美國能源部貸款計劃資助下完成的系統,它獲注資1.17億美元,從2010年7月開始建立。該電池采用了彈道級的纖維材料制造,電池內有約一英里的纖維,且電池內部是干燥的,該電池的技術來源于Tracor與福特航空公司為了電動汽車應用共同開發的創新技術。

          Xtreme的化學電容器起到了彌補鋰離子電池性能的作用,它采用了干燥、惰性的材料制備,可在常溫下運行,不像電網級儲能用的納硫電池。

          第一風電在Haleiwa附近也有一座配備儲能系統的風電場,那個風電場也叫Kawailoa工程。這個風電場從6月開始運行,按照他們CEO的話說,它“完美地運行著”。

          Xtreme的管理層強調過他們提供的不僅是一組電池,還包括一系列的控制、通訊系統,以及他們豐富的電池管理經驗與理念,這使得他們與那些只提供電池的公司不同。最近的這些事件也許會證明他們的觀點。

          專家認為,與普通的火電站相比,電網級的儲能系統還是過于昂貴,也只能在那些輸送能源成本較高或較困難送能的地區,比如夏威夷或Kodiak島等地,以及一些新興地區(不用再建立全新的電網與發電系統)有一定的實用價值

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