鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2021年09月27日
鈉硫電池——智能電網能量控制之門的金鑰匙
智能電網,顧名思義就是聰明的電網,就像人有思維相同,有著智力,能自主地判斷處理各種事件的電網。既然是這樣一種電網,那么它是從什么方面體現出智能化呢?分布式電源接入、儲能系統、智能變電站、配電自動化工程、故障報修管理系統、電能質量監測、用電信息采集系統智能、用電樓宇、電動汽車充放電站,這些是“上海世博園智能電網綜合示范工程”的組成部分。但是那么多頂端的技術,卻都可以歸結為一句話:“智能電網就是業務流、信息流、能量流的雙向互動”。
在本次世博會國家電網館的地下一層,有關智能電網的設想的影片已公布于眾了,但是我們仍想利用這次機會來詳細介紹一下智能電網的各個組件,讓每一位讀者不再停留在智能電網這個名詞的表面,而真正地看到它存在的實質和意義,那么我想這幾篇文章的意義就在此吧。首先為您獻上:
當一次能源轉變為清潔的二次能源時,控制往往是最為關鍵的,由此便誕生了智能電網的概念。智能電網就是一張控制網,無論是水能、熱能、風能、還是太陽能、原子能,它們一旦化身電能并被送上智能電網,就好像江河中奔騰的流水,奔向千家萬戶。當然,智能電網不僅僅控制著發電側的電能,也同時控制著受電側的電能,它是有關整個能量系統的控制。而鈉硫電池恰恰就是智能電網技術中的明珠,是能量的源泉,是能量控制的魔盒
2009年十月十四日,中科院上海硅酸鹽研究所與上海市電力公司宣布:雙方多年攻關,成功完成了大容量城網儲能鈉硫電池的研發,建成了一條2兆瓦的中試生產示范線和一套10千瓦的儲能系統示范裝置,並成功完成2.2千瓦鈉硫電池子模塊的首次充放電,一舉使我國成為繼日本之后世界上第二個掌握大容量鈉硫單體電池核心技術的國家。
對能量的利用貫穿于人類進步的始終,第一次工業革命后,蒸汽機開始為人類廣泛應用,將人類從繁重的手工工作中逐步解脫了出來,而發電機的誕生則拉開了第二次工業革命的序幕。隨著原子能的誕生和計算機的發明,人類昂首闊步跨入了第三次科技革命時代。當代,能量出現的方式業已多種多樣,但一個棘手的問題始終懸在人們的心頭——能量控制。
當一次能源轉變為清潔的二次能源時,控制往往是最為關鍵的,由此便誕生了智能電網的概念。智能電網就是一張控制網,無論是水能、熱能、風能、還是太陽能、原子能,它們一旦化身電能并被送上智能電網,就好像江河中奔騰的流水,奔向千家萬戶。當然,智能電網不僅僅控制著發電側的電能,也同時控制著受電側的電能,它是有關整個能量系統的控制。而鈉硫電池恰恰就是智能電網技術中的明珠,是能量的源泉,是能量控制的魔盒。
合作
“能不龜手一也,或以封,或不免于洴澼絖,則所用之異也。”——莊子《逍遙游》
釋意:“能令手不皸裂的藥也是這個道理,有人靠他得到封賞,而有人卻免不了漂洗棉絮的辛勞,這就是因為用途不相同啊。”
由于電能具有瞬時性和季節性需求變化巨大的特性,作為國內重要供電公司之一的國家電網公司始終在尋找一種良好的電能儲存方法,在供大于求時把電能妥善存儲,當要的時候再拿出來使用。抽水蓄能是目前通用的好辦法之一,在富余電能的驅動下,抽水機將水從低處抽向高處——即是將動能轉換成勢能,等到供電不足時,再通過水力發電機發出電能。然而抽水蓄能變電站的選址存在諸多限制,最關鍵的是要山麓、丘陵等地理結構。可惜,有關十分要儲能的我國沿海大型城市而言,這樣的地形可遇而不可求。
生活中常用的酸性電池和鋰離子電池也是一種常見的儲能手段,且這些傳統電池的技術已經成熟了。然而酸性電池和鋰離子電池在大容量電池的應用上有其一定的局限性,這類電池的電流密度低,充電壽命也很低,這對工業用電質量來說是致命的。
“山重水復疑無路,柳暗花明又一村”,就在這個時候,1967年由美國福特汽車公司發明的鈉硫電池漸漸進入了國家電網公司的視線。以鈉為陰極、硫為陽極,鈉硫蓄電池的能量密度是鎳氫電池的4倍,鉛酸蓄電池的10倍;由于采用固體電解質,所以沒有通常采用液體電解質二次電池的那種自放電及副反應,充放電電流效率幾近100%,能持續充放電2萬余次,使用壽命長達十余年;而且,鈉硫電池的占地小,不受地域因素影響,是城市電網的最佳選擇。更令人欣喜的事,這種電池“壽終正寢”后可被完全分解再利用,不會污染環境。以上這些優異的特性讓電力系統的專家無比心動又困惑重重,“為何這樣的技術就不能運用到我們國家的電力系統上來呢?”
專家的困惑不無道理,如此頂端的鈉硫電池技術已在在實驗室里被雪藏了30年。早在上世紀70年代,在上海硅酸鹽研究所得實驗室里就制成了車用鈉硫蓄電池。雖然在此后的30多年中,硅酸鹽研究所始終瞄準鈉硫電池這一世界最前沿的科學技術并不斷將期改進完善,但由于缺乏市場化的途徑,鈉硫電池只能深守實驗室中,像個待嫁的姑娘,嫁妝越攢越多,卻不知能嫁給誰。
從實驗室到產業化往往是目前我國創新技術的發展瓶頸,然而只有大境界的人,才有大視野。世界上所有的事物都有其獨特的用途,有些可能現在沒有顯現出來,但是“天生我才必有用”,若干年之后,是金子必將閃光。當看到國外發達國家對鈉硫電池的實際應用時,國家電網公司看到了希望,多年的相關相關經驗和教訓顯示它必將在電力系統內發揮光與熱。由于上海這座城市本身就是人才與技術的高地,有著豐富的科研人員和研究相關相關經驗,于是由國家電網公司牽頭,委托上海市電力公司承辦,在此基礎上,上海市電力公司與上海硅酸鹽研究所一拍即合,共同負責鈉硫電池的研發和產業化運作,成果與專利技術共享,求同存異,為整個電力系統的智能化貢獻自己的全力。
研發
“故不積跬步,無以至千里;不積小流,無以成江海。”——荀子《勸學篇》
釋意:“因此,不積累一步半步,就沒有辦法到達千里之外;不積累涓滴細流,就沒有辦法匯成浩淼江海。”
與車用電池相比,大容量儲能鈉硫電池的很多關鍵技術難度大得多,每一節電池儲存的能量是車用電池的二十余倍,電池的尺寸也大上了二十多倍。要想達到目標,必須改變思維,一切從零開始。
“2006年八月,我便帶領著我的團隊聯系相關的設備生產廠家,前后共用了4個月時間,夜以繼日地建設實驗室,多個廠家也為我們挑燈夜戰。最趕進度的當口,凌晨2點設備廠家的工人們還在配合我們奮戰。”談起創業歷程,上海硅酸鹽研究中心上海嘉定鈉硫電池研究所項目總工程師溫兆銀的臉上總是充滿了興奮,“十二月二十五日,經過大家的不懈努力,我們終于成功制造出第一件陶瓷管實物樣品;2007年一月二日的凌晨4點,第一件大容量鈉硫儲能電池順利完工。”
2008年,上海硅酸鹽研究所開始與多家設備公司緊密合作,并用了一年的時間研制成功了一臺又一臺設計獨特的設備,并陸續調試成功。一條具有年產2兆瓦單體鈉硫電池的中試線終于在當年八月落成。
作為“國家科技支撐計劃”項目之一的大容量城市儲能工程能落戶上海,是上海的驕傲,更是上海市電力公司科研能力的體現。“當拿到這個項目時,我感到了無比的壓力和動力。”上海電力技術與管理學院院長俞國勤感嘆地說,“這么大的項目落在了上海市電力公司的肩上,我們感到責任重大。雖然鈉硫電池在電動汽車研究上有一定進展,而在電力系統的運用上只有日本一家公司有實際應用相關相關經驗,我們了解的很少,心中也沒什么底。但是我了解,大容量儲能技術是今后國家發展的大戰略,一次能源終有枯竭之日,但是作為二次能源的電能卻可由其他能源或可再生資源轉換出現,因此我認為我們必須堅定地走下去。”
是的,上海市電力公司堅定地一路走來,以準公司化的形式運作整個鈉硫電池基地,并成立了管委會,俞國勤親任負責人,管理整個基地的運作和生產。俞國勤還親自設計了家用鈉硫電池模塊,為今后家用電能存儲考慮良多。
智能電網歸根結底就是通過現有的技術,實現業務流、信息流、能量流的雙向互動,改變現在從上而下的調度模式,創建反饋式的雙向互動模式,根本意義上形成一個互動的智能化控制電網。
上海市電力公司就是如此實踐的,在徐匯區的漕溪能源轉換綜合展示基地內,已展現了一個智能電網的雛形。作為“世博園智能電網綜合示范工程”重要組成部分的漕溪基地包含了國內首座商業運行的電動汽車充放電站、大容量城市電網儲能站與集中控制系統以及能源轉換綜合展示廳三部分。這里擺放著實時運作的鈉硫電池組,目前的容量為100千瓦/720千瓦時,充分體現了“分布儲能、集中控制、統一調度”的理念。










