電池儲(chǔ)能電站的安全性問題分析

一場(chǎng)動(dòng)搖鈉硫電池前景的火災(zāi)

作為新一代電力存儲(chǔ)系統(tǒng)，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(xiǎn)，因此滅火時(shí)比普通火災(zāi)更為困難。但日本卻發(fā)生了足可以動(dòng)搖鈉硫電池前景的火災(zāi)事故。據(jù)了解，目前推出鈉硫電池產(chǎn)品的公司只有日本K子(NGK)一家。2011年9月21日上午前7點(diǎn)20分左右，設(shè)置于日本茨城縣三菱材料筑波制作所內(nèi)的鈉硫電池(日本NGK制)起火引發(fā)火災(zāi)。直到10月5日下午3點(diǎn)25分大火才終于被撲滅，歷時(shí)2周之久。日本NGK在事故發(fā)生當(dāng)天成立了事故調(diào)查委員會(huì)，并同時(shí)宣布將暫停生產(chǎn)鈉硫電池。

由于鈉硫電池的構(gòu)造及工作原理，鈉硫電池存在以下兩大安全風(fēng)險(xiǎn)。第一，由于使用了鈉，因此著火時(shí)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(shè)置單位及消防機(jī)構(gòu)需要采取特殊措施。第二，由于鈉硫電池的工作溫度需達(dá)300—350℃，當(dāng)電池單元著火時(shí)，火勢(shì)就容易向周圍的其他電池單元蔓延，而且控制火勢(shì)需要大量時(shí)間。

據(jù)日本NGK介紹，發(fā)生事故的鈉硫電池中混入了1個(gè)“不合格”的電池單元，該電池單元的破損導(dǎo)致高溫溶融物(液態(tài)的鈉和硫)從內(nèi)部流出。每個(gè)電池模塊分成4個(gè)區(qū)塊，各區(qū)塊之間設(shè)有防止短路及火勢(shì)蔓延的砂層。但此次溶融物越過砂層流出，因此相鄰的區(qū)塊之間發(fā)生了短路。各區(qū)塊內(nèi)部設(shè)有用來防止大電流持續(xù)流過的保險(xiǎn)絲，但相鄰區(qū)塊之間則未設(shè)置。

由于區(qū)塊間發(fā)生了短路，隨著大電流的連續(xù)流過，模塊內(nèi)部開始發(fā)熱，使更多的電池單元發(fā)生破損。這樣，在發(fā)生火災(zāi)的同時(shí)，再加上溶融物流出，火勢(shì)便蔓延到了整個(gè)模塊，進(jìn)而使受損范圍擴(kuò)大到了相鄰的模塊。

在火災(zāi)事故發(fā)生后，日本NGK公布了防止事故再次發(fā)生的對(duì)策，包括在相鄰區(qū)塊間設(shè)置保險(xiǎn)絲，這樣即使發(fā)生短路，也可降低大電流連續(xù)流過的概率;為防備溶融物流出，在區(qū)塊間設(shè)置防短路板，進(jìn)一步保證區(qū)塊間不會(huì)因溶融物流出而短路;為避免火勢(shì)蔓延，在模塊間設(shè)置防火勢(shì)蔓延板。

對(duì)于不合格的電池單元嵌入模塊的原因，日本NGK推測(cè)是“制造工序中混入了異物等，這種超出設(shè)計(jì)允許范圍的問題疊加之后，導(dǎo)致安全功能未能發(fā)揮作用”。但是，有問題的那個(gè)電池單元已經(jīng)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(qiáng)制造工序的管理并對(duì)全部產(chǎn)品實(shí)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(dá)鉛蓄電池的約3倍，有望在新一代電網(wǎng)中承擔(dān)多種作用，比如通過負(fù)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(dòng)問題，等等。因此，旨在普及鈉硫電池的環(huán)境建立工作也在急速推進(jìn)之中。

2007年日本消防法修訂了“與危險(xiǎn)品限制相關(guān)的規(guī)定”，改為允許將不同種類的危險(xiǎn)品裝入同一容器內(nèi)運(yùn)輸或儲(chǔ)藏，這一措施主要是為了能夠輕松設(shè)置鈉硫電池，因?yàn)殁c硫電池使用了日本消防法定義為第二類危險(xiǎn)品(可燃性固體)的硫，以及定義為第三類危險(xiǎn)品(自燃性物質(zhì)及禁水性物質(zhì))的鈉。根據(jù)這一修訂，只要容器及設(shè)置場(chǎng)所達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，即可較輕松地設(shè)置鈉硫電池。

不過，此次事故說明鈉硫電池的安全技術(shù)及火災(zāi)對(duì)策尚未成熟。實(shí)際上，除了上面提到的防止事故再次發(fā)生的對(duì)策之外，日本NGK還提出了安全強(qiáng)化對(duì)策，比如“建立用來在早期發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的監(jiān)控體制”、“設(shè)置滅火防火設(shè)備并建立滅火體制”，以及“制定火災(zāi)發(fā)生時(shí)的逃生線路并建立引導(dǎo)疏散體制”，要求客戶實(shí)施。另外，對(duì)于在醫(yī)院及商業(yè)設(shè)施等有較多不特定人出入的場(chǎng)所設(shè)置鈉硫電池的客戶，暫時(shí)要求他們拆除鈉硫電池。

日本NGK表示如有客戶申請(qǐng)拆除即會(huì)滿足要求，但實(shí)際上多數(shù)客戶都希望繼續(xù)使用。目前已有眾多場(chǎng)所將鈉硫電池設(shè)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(xù)擴(kuò)大。但正因如此，更需要鈉硫電池在安全技術(shù)上進(jìn)一步成熟。

Kahuku風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能電站第三次火災(zāi)

2012年8月1日，煙霧報(bào)警器突然響起了，報(bào)警發(fā)生地是在夏威夷Oahu北側(cè)海岸的一個(gè)擁有12臺(tái)風(fēng)機(jī)、裝機(jī)容量30兆瓦的Kahuku風(fēng)電場(chǎng)。這個(gè)風(fēng)電場(chǎng)是“第一風(fēng)能”公司開發(fā)，該風(fēng)電場(chǎng)配備了一個(gè)Xtreme Power公司提供的15兆瓦的電池，并將生產(chǎn)的電能賣給島上的社區(qū)，這是該電池安裝以后的第三次火災(zāi)。

有媒體評(píng)論說大火毀壞了一棟重要的建筑，也為Kahuku風(fēng)能開發(fā)的未來帶來了不確定因素。儲(chǔ)能行業(yè)將能夠使得風(fēng)能、太陽能等各種可再生能源變?yōu)槌缮鐣?huì)易用的電能，降低能源的價(jià)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(chǔ)能行業(yè)(除了抽水蓄能)還僅僅處在“有潛力”的階段。儲(chǔ)能行業(yè)的電池供應(yīng)商們正在經(jīng)受著各種發(fā)展期的陣痛。

消防員直到大火燃燒7小時(shí)才進(jìn)入著火建筑內(nèi)，因?yàn)樗麄儞?dān)心那12000個(gè)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(jīng)發(fā)生了一場(chǎng)大火，幾乎將大樓整個(gè)燒光。今年5月還有一場(chǎng)大火，而這之前的兩場(chǎng)大火的起因都是Dyna公司生產(chǎn)的ECI電容器。根據(jù)《法庭新聞服務(wù)》報(bào)道，Xtreme公司已經(jīng)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(fā)言人說，火災(zāi)看起來是從電池箱內(nèi)部或邊上開始起火并迅速擴(kuò)散。Xtreme說，他們正在展開調(diào)查，并且電池內(nèi)無有害材料，也不會(huì)對(duì)社會(huì)造成危害。

Kahuku風(fēng)電場(chǎng)從2011年2月開始投入運(yùn)營，發(fā)現(xiàn)煙霧時(shí)已被立刻關(guān)停。這個(gè)風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能電站配備了美國最大的儲(chǔ)能系統(tǒng)。這套系統(tǒng)也是第一個(gè)在美國能源部貸款計(jì)劃資助下完成的系統(tǒng)，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(jí)的纖維材料制造，電池內(nèi)有約一英里的纖維，且電池內(nèi)部是干燥的，該電池的技術(shù)來源于Tracor與福特航空公司為了電動(dòng)汽車應(yīng)用共同開發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)。

Xtreme的化學(xué)電容器起到了彌補(bǔ)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(yùn)行，不像電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能用的納硫電池。

第一風(fēng)電在Haleiwa附近也有一座配備儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)，那個(gè)風(fēng)電場(chǎng)也叫Kawailoa工程。這個(gè)風(fēng)電場(chǎng)從6月開始運(yùn)行，按照他們CEO的話說，它“完美地運(yùn)行著”。