用于电力储能的蓄电池适用性综合评价

赖 犁，张 宇

（1.上海电力学院，上海 200090；2.上海市电力公司，上海 200122）

电力储能可以用于电网调峰和提高电网可靠性、改善电能质量，为解决电网电量供需不平衡的矛盾提供解决方案，因此也是智能电网的重要组成部分。特别是随着包括各种新能源可再生能源（风能、太阳能等）发电在内的各种分布式电源的发展，电力储能系统的重要性日益凸显［1］。电力储能可以采用多种方法，化学电池是其中最重要的一种，钠硫电池、全钒液流电池、镍氢电池、铁电池和锂电池等都是目前可以应用于电力储能的新型的动力蓄电池。这些电池的性能各有特点，在电力储能项目方案设计确定蓄电池时，必须综合各种利弊得失全面考虑。本文将电力储能的蓄电池建立一套二级评价指标体系，并对各级指标的权重进行了分配，同时制定了二级评价指标的评分方法。最后对五种已经应用在电力储能示范项目中的动力电池的综合性能进行评价，为这些蓄电池的适用性和应用前景进行排序。

1 综合评价指标体系的建立

综合评价指标体系的建立，包括指标的选择和各指标权重的分配。本文采用二级指标体系，把蓄电池的环保性、技术性能、经济性和安全性作为一级指标，每个一级指标下再各设若干二级指标。

1.1 评价指标的选择

化学电池要用于电网的储能，就必须有大容量的蓄电池，但是除了发展已久的铅酸电池外，大部分大容量的蓄电池都是初步商业化的产品或者还在研制和完善中的产品，因此为了对这些蓄电池在电力蓄能中应用的潜力做一个评价，除了考察这些蓄电池的技术性能外，还必须考察这些蓄电池的经济性、安全性和可靠性，另外环境保护也非常重要，一种蓄电池的制造、使用和退役处理必须是环境友好的。本文将采取环保性、技术性能、经济性和安全性4个指标，来考察各种蓄电池的适用性和发展潜力，这些指标将作为第一层次，然后再各自分解为多个指标作为二级指标。

1）环境友好性 传统的铅蓄电池、镍镉电池等化学电池作为储能元件虽然技术比较成熟，但是在制造、运行和退役回收过程中带来的对环境的严重污染，已经逐渐被淘汰，因此环境友好性是衡量蓄电池发展潜力的重要性能之一。一种蓄电池的环境友好性，可以用蓄电池在生产环节、运行环节和处理环节中的环保性来评价。

2）经济性 随着智能电网建设的开展，大容量蓄电池的技术快速发展，目前已经开发出多种有发展潜力的高性能蓄电池，但是其中一些蓄电池或者技术复杂、或者原料稀缺、或者因为还没有量化生产，目前的制造成本很高。由于建设智能电网对储能装置需求量较大，蓄电池的合理成本也是影响电池储能方案选择的重要因素之一。一种蓄电池经济性可以用单位容量投资、单位电量投资和投资回收期3个指标来评价。

3）技术性能 蓄电池的性能当然是电池储能方案选择的主要依据。蓄电池的性能指标很多，本文采用其中最重要的循环寿命、能量转换效率、比容量和能量密度作为评价蓄电池技术性能的指标。

4）安全可靠性 安全可靠性衡量的是蓄电池运行的可靠性，包括稳定运行能力和对意外事故的抗击能力，可以用可靠性、稳定性和防护性来评价。

本文把环保性、技术性能、经济性和安全性4个指标作为一级指标，一级指标包含若干个二级指标组成蓄电池综合评价的指标体系，见表1。

表1 蓄电池综合评价的指标和权重

1.2 指标权重的分配

蓄电池4个一级指标对一个电力蓄能项目的重要性来说是不一样的，一级指标中的每个二级指标对一级指标的重要性也不同，因此要根据重要性综合评分要求对各项指标根据重要性进行权重分配。为了更全面更客观地分配权重，本文采用专家调查法，通过问卷的方法征求多位专家的意见，然后综合这些意见确定综合评价体系的权重。表1中括号内的数值，即该项指标的权重。事实上我国大容量的新型蓄电池技术的发展还处在产业化初期，在电力蓄能项目的方案的设计中，蓄电池的技术性能和经济性是最主要的考虑因素，因此采用较高权重（分别为0.35和0.30），还是比较合理的。

2 指标的评分方法

对于二级指标，本文采用1～4分对指标的好坏进行评分。其中环保性的生产、运行和退役后处理的评分都可以采用国家有关标准的要求作出；经济性和技术性能的评分可以根据蓄电池的性能参数进行，见表2～表4。

表2 环保性指标的评分

表3 经济性指标的评分

表4 技术性能指标的评分

但是安全可靠性指标目前即没有合适的量化指标，也没有可供参考的标准可以评分依据，因此只能通过问卷调查的方法，由多名专家对各种被评价蓄电池进行比较打分，最后综合专家意见得出最后的评分。

3 几种蓄电池的综合评价

电能的储存比较困难，是提高电能供应、输配效率和扩大应用领域的瓶颈，因此近年来电力的储存技术的发展受到了关注，新型清洁高效的蓄电池也不断地被开发。目前可以作为电网储能的大容量蓄电池，主要有全钒液流电池、锂电池、钠硫电池、铁电池和镍氢电池等，这些蓄电池都已经应用在上海电力公司220kV漕溪站、白银站、前卫站3个电力蓄能示范项目中，示范项目的蓄能总容量达410kW。本文将利用综合评价体系对这些蓄电池作为电网储能的大容量蓄电元件的适用性进行比较，这些项目中的蓄电池的应用效果和运行情况为本文的评价提供了依据。

1）全钒液流电池 全钒液流电池全称为全钒氧化还原液流电池（VRB），1985年由澳大利亚新南威尔士大学的Marria Kazacos提出。经过近20年的研发，钒电池技术已趋成熟。全钒液流电池的制造成本低、循环寿命长因此经济性好；全钒液流电池在生产、运行和回收过程中污染小，对环境友好；全钒液流电池的储能容量大、并且可根据需要实现输出功率和蓄能容量的灵活独立设计，不过储能效率和比容量略低。全钒液流电池的安全性较高、充放电转换速度快，迄今为止，全钒液流储能电池是国际上唯一成功通过了3年风能发电实际并网应用示范的兆瓦以上级大规模电化学储能系统。我国大连化物所经过近10年的积累与创新，在液流储能电池系统的关键材料、结构设计、密封技术、电池模块和电池系统集成技术、测试方法及应用示范等方面取得了一批重大成果。自主研发的2KW全钒液流储能电池至2011年6月4日已无故障运行1 429天，累计运行时间超过34 000h，成功实现1万次充／放电循环，电池模块的能量效率未见明显衰减。目前，钒电池已经成功地应用在日本、南非等地已经应用在电站调峰、太阳能储能、风能储能的系统中，已接近商业化。钒电池的优势及其成功范例展示了钒电池在储能市场的广阔前景［2］。

2）锂电池 根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池（lithium ion battery，简称为LIB）和聚合物锂离子电池（LIP）两大类。聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，电池的工作原理也基本一致，主要区别在于电解质的不同，锂离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替，这种聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态”的，目前大部分采用聚合物胶体电解质。锂离子电池是20世纪开发成功的新型环保型高能电池，目前技术比较成熟已广泛应用小型移动电器中，如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等。具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点。不过目前的锂电池价格还比较较贵。

3）钠硫电池 钠硫电池由熔融液态电极和固体电解质组成，整个电池没有采用对环境有污染的材料，环保性能非常好。钠硫电池的比能量大（理论比760Wh／kg，目前的产品已经做到大于100Wh／kg），可大电流、高功率放电（200～300mA／cm2），充放电效率也较高（几乎100%），但是钠硫电池的缺点是必须在300～350℃下运行。钠硫电池技术相对成熟，日本东京电力公司（TEPCO）和NGK公司合作开发钠硫电池作为储能电池应用于电站负荷的削峰平谷，已建成世界上最大规模（8MW）的储能钠硫电池装置［3］。我国上海电力公司和中科院硅酸盐研究所合作，2007年已经研发成功650Ah的单体钠硫电池，2009年已建成2MW的钠硫电池中试生产线。

4）铁电池 铁电池是一种能量密度大、体积小、重量轻、寿命长、无污染的新型化学电池。铁电池有高铁和锂铁两种。高铁电池比功率可以达到1kW／kg以上，放电电流是普通电池的3～10倍，特别适合需要大功率、大电流的场合。高铁电池原料来源丰富价格便宜，而且生产运行无污染，特别是高铁酸盐放电后的产物无毒无污染，对环境友好。不需要回收。但是高铁电池在生产过程中对工艺要求非常高，制造成本较高，因此目前还不能大规模实用化。锂铁电池的全名是磷酸铁锂锂离子电池，锂铁电池的安全性能，运行的稳定性和储存性能优异，循环寿命较长。锂铁电池的原料无毒，整个生产过程清洁无毒。磷酸铁锂电池特别适合于动力方面的应用，因而被称为锂铁动力电池。

5）镍氢电池 镍氢电池的技术比较成熟，运行的可靠性和稳定性好，已经有广泛的应用。镍氢电池采用无毒原料制造，环保性能也比较好，价格也比较低。但是镍氢电池的循环寿命、能量密度和比容量等技术性能不够理想。

利用表1的权重分配和表2～表4的评分标准，以及专家对各种被评蓄电池安全可靠性的综合意见，得到的五种蓄电池的综合评分，见表5。

表5 五种蓄电池的评分

一种蓄电池的综合评分取决于4个一级指标，可以对加权以后的4个一级指标得分求和得到；这些一级指标的得分取决于所包含的二级指标，可以对加权以后的数个二级指标得分求和得到。由此得到的这些蓄电池的综合评分及排名结果见表6。

表6 五种蓄电池的综合评分及排名

可以看到，钠硫电池的综合评分最高，这是因为钠硫电池的各项指标的得分都比较高，尽管从单向指标来看并非都是最好的，例如经济性不及全钒液流电池、安全可靠性也不及其他电池。随着环保理念的深入，项目的环保性能已经成为最重要考核之一；在市场化的条件下，当前的电网电力蓄能项目非常注重项目的经济性，由此本文的评价系统为环保型和经济性指标分配了较高的权重，而钠硫电池恰恰在经济性方面比较突出。可以认为钠硫电池是目前最适合作为电网电力蓄能项目的蓄电池。

4 结语

能源紧缺气候变暖是当期社会面临的最大问题，发展低碳经济，增加清洁能源比例和提高能源利用效率是今后能源技术进步的方向，新能源可再生能源的利用最后都必须转换成电能才能有效利用，电能的储存技术是可再生能源发电并网的技术瓶颈，因此加速发展清洁高效的大容量蓄电池非常重要。本文为电网电力储能的蓄电池建立了一套综合评价方法，可以为电网电力储能的蓄电池研究方向的确定提供参考意见，也可以为当前电网电力储能项目的方案设计提供依据。当然，随着蓄电池技术的进步，更先进的大容量蓄电池还会不断出现，目前已有的蓄电池在技术上也可能有所突破，因此本文给出的五种蓄电池比较结果可能会变化。不过这种综合评价的思路应当不会过时，通过对这种方法的进一步完善，可以继续为电网电力储能的蓄电池的研制和应用提供帮助。

［1］张 宇，俞国勤，施明融，等.电力储能技术应用前景分析［J］.华东电力，2008，36（4）：91－93.

［2］崔艳华，孟凡明.钒电池储能系统的发展现状及其应用前景［J］.电源技术，2005（11）：77－81.

［3］王振文，刘文华.钠硫电池储能系统在电力系统中的应用［J］.中国科技信息，2006（13）：41－44.