中國儲能網(wǎng)訊：100KW/800KWh鈉硫電池儲能站成功并網(wǎng)運(yùn)行，在上海世博會期間進(jìn)行對外展示和示范。陳歡歡/攝
位于上海嘉定的中科院上海硅酸鹽所鈉硫基地雖然地理位置并不優(yōu)越，卻已經(jīng)吸引了吳邦國、溫家寶、俞正聲、路甬祥、萬鋼、韓正等領(lǐng)導(dǎo)人前來參觀視察。
那是因為，這里正在示范運(yùn)行的鈉硫電池儲能系統(tǒng)關(guān)系著未來上千億的市場份額，也在我國可再生能源和節(jié)能減排戰(zhàn)略中占有不可或缺的一席之地。
儲能技術(shù)被視為是現(xiàn)在新能源戰(zhàn)略發(fā)展的瓶頸問題。根據(jù)美國電力研究院公布的資料，在各種化學(xué)儲能技術(shù)方案中，鈉硫電池是唯一一種能同時實現(xiàn)高效率和大容量的儲能電池，技術(shù)優(yōu)勢明顯。
但在實際中，液流電池、鋰離子電池等儲能電池被大量研究和開發(fā)，而鈉硫電池卻僅有日本NGK公司能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)規(guī)模的應(yīng)用，獨占世界市場。
2006年，中科院上海硅酸鹽所和上海電力公司合作，自主研發(fā)出儲能用大容量鈉硫電池，目前已進(jìn)入中試階段，使我國成為世界上第二個有望實現(xiàn)其規(guī)?；a(chǎn)的國家。
除此之外，全世界還沒有其他成功研發(fā)鈉硫電池的案例。究其原因，就是鈉硫電池的技術(shù)門檻較高，一般科研機(jī)構(gòu)很難從零開始進(jìn)行研發(fā)。
近日，《科學(xué)時報》記者在中科院上海硅酸鹽研究所采訪期間參觀了鈉硫電池實驗室和研制基地。項目負(fù)責(zé)人、中科院上海硅酸鹽研究所研究員溫兆銀告訴記者，儲能市場巨大，僅鈉硫電池的細(xì)分市場也相當(dāng)之大，如果國家支持力度足夠，我國的商用鈉硫電池有望在3~5年內(nèi)趕上日本現(xiàn)在的水平，在未來打破NGK公司一統(tǒng)國際市場的局面。
中國第一、世界第二
記者在采訪期間發(fā)現(xiàn)，由于缺乏競爭對手，在對我國自主研發(fā)的鈉硫電池的所有介紹中，唯一參照就是日本NGK公司，這也是鈉硫電池研發(fā)和商用現(xiàn)狀的真實寫照。中科院上海硅酸鹽所自主研發(fā)的鈉硫電池可謂“中國第一、世界第二”。
溫兆銀直言：“我們接待了很多國內(nèi)外的學(xué)者和業(yè)界人士來參觀和交流訪問，有人擔(dān)心會不會發(fā)生技術(shù)泄密。我們認(rèn)為，鈉硫電池的技術(shù)難度大，需要有各路精英的啟發(fā)，要更上一層樓，離不開同行的支持和幫助。但事實上，鈉硫電池的技術(shù)門檻高，國內(nèi)涉及鈉硫電池研究的機(jī)構(gòu)寥寥無幾，希望和壓力都承擔(dān)在我們的身上。”
鈉硫電池以鈉和硫分別用作陽極和陰極，Beta-氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用。其中陶瓷介質(zhì)是鈉硫電池能否研發(fā)成功的關(guān)鍵和核心。而NGK和上海硅酸鹽所的共同點就是在陶瓷材料上都有幾十年的研究基礎(chǔ)。
實際上，鈉硫電池最早由美國福特公司在上世紀(jì)60年代發(fā)明。當(dāng)時，日本、中國、德國、英國等一些國家也針對車用電池開展了大量研究工作。
由于上海硅酸鹽所在陶瓷材料的研究上基礎(chǔ)較強(qiáng)，我國從上世紀(jì)60年代開始形成了以中科院硅酸鹽所為主的研究隊伍，總共有10多家研究單位參與。
已經(jīng)退休的硅酸鹽所研究員曹佳弟回憶說，我國鈉硫電池的研發(fā)可謂“兩上兩下”：從上世紀(jì)60年代開始，硅酸鹽所傾全所之力研發(fā)鈉硫電池，到70年代達(dá)到高潮，在1977年實現(xiàn)了6千瓦的面包車示范。但隨后，車用鈉硫電池的研究進(jìn)入低潮。直到80年代初期，中國科學(xué)院從院“六五”規(guī)劃開始給予支持，尤其是“八五”期間得到了國家“863”重點項目的支持。但當(dāng)時，全國只剩下硅酸鹽所還在繼續(xù)鈉硫電池的研究。而到“十五”之后，全國的研究都基本處于停止?fàn)顟B(tài)。
與此同時，國外鈉硫電池的研究也基本停滯。除了在上世紀(jì)80年代，日本重新定位，聚焦鈉硫電池的儲能應(yīng)用，并研發(fā)成功、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在全世界引起了很大的轟動。
在日本成功的激勵之下，2006年，應(yīng)上海電力公司之邀，硅酸鹽所重新?lián)炱鹆诉@項研究，并定位為大容量儲能用鈉硫電池。
根據(jù)要求，研究組必須在4個月內(nèi)拿出電池樣品，而當(dāng)時，硅酸鹽所對鈉硫電池的研究已經(jīng)停止了五六年。況且，溫兆銀組成的研究組僅有5個人。另外，同小容量的車用電池相比，儲能用電池的技術(shù)難度更高，技術(shù)難以簡單移植。因此，當(dāng)時攬下這一重任時，有同事說溫兆銀“瘋了”。
這4個月，他們確實過得很“瘋狂”。當(dāng)時還是學(xué)生，現(xiàn)在已經(jīng)成為研發(fā)團(tuán)隊核心成員的韓金鐸回憶起往事還是心有余悸：“那4個月過的真是‘魔鬼訓(xùn)練法’，基本每天都24小時連軸轉(zhuǎn)，所以那4個月足以頂一年。”
除了自己連軸轉(zhuǎn)，他們還監(jiān)督加工單位也跟著連軸轉(zhuǎn)。要研制出大容量儲能用鈉硫電池，首先就必須研發(fā)出專門的技術(shù)設(shè)備。“那時候我們經(jīng)常深更半夜出現(xiàn)在合作的廠家‘突擊視察’或是通宵達(dá)旦地進(jìn)行設(shè)備試驗。時間不等人??！”溫兆銀回憶道。
2006年12月31日到2007年1月2日，研發(fā)團(tuán)隊經(jīng)歷最后兩天兩夜的不休不眠，終于制作出第一件大容量鈉硫儲能電池。
溫兆銀總結(jié)道：“4個月的成功起步，源于幾十年的積累，突破原有思維定式，加上技術(shù)路線設(shè)計正確。”他特別強(qiáng)調(diào)了電力公司的風(fēng)險意識，羅宏杰所長等所領(lǐng)導(dǎo)的強(qiáng)力支撐以及上海市科委的正確引導(dǎo)和中科院的關(guān)心指導(dǎo)。
定位100兆瓦以下集中分布式儲能
據(jù)溫兆銀介紹，上世紀(jì)70年代末出現(xiàn)的那次世界范圍的鈉硫電池研發(fā)停滯主要是由于其作為車用電池的定位受到挑戰(zhàn)：一方面，鈉硫電池需要的運(yùn)行溫度較高，在當(dāng)時難以解決安全性和可靠性問題；另一方面，鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等相繼發(fā)明，這些常溫運(yùn)行的電池取代了鈉硫電池成為車用電池的主流技術(shù)。因此，作為車用的鈉硫電池逐漸淡出，到上世紀(jì)80年代中后期基本停止。
唯一堅持下來的就是日本NGK公司和東京電力公司從1983年開始聯(lián)合研究儲能用大容量鈉硫電池。“關(guān)鍵是他們找到了運(yùn)用的突破口，不再把鈉硫電池用在動態(tài)的電動車上，而是用于靜態(tài)環(huán)境下的儲能，因此同其他電池相比更能發(fā)揮特長和優(yōu)點。”溫兆銀說。
鈉硫電池用于儲能有多種方式，如對電網(wǎng)用電的削峰填谷，平衡夜晚和白天的用電；發(fā)生故障時的應(yīng)急；接入可再生能源，使間歇性的可再生能源發(fā)電平穩(wěn)地輸入電網(wǎng)。“如果能起到調(diào)節(jié)峰谷的作用，中國就可以少建很多發(fā)電站，而發(fā)電站的投資往往是巨大的。”溫兆銀指出。
不過，再大容量的儲能電池同抽水儲能等物理儲能方式相比還是小。據(jù)課題組成員劉宇介紹，鈉硫電池今后的定位是解決集中分布式能源供應(yīng)，規(guī)模定位在100兆瓦級別以下。
曾留學(xué)日本的劉宇介紹道，日本鈉硫電池儲能系統(tǒng)的主要用戶是工廠、企業(yè)等集中分布式能源用戶。因為這些大的工廠、企業(yè)往往用電量較大，在用電高峰時對電網(wǎng)的沖擊也較大，通過配備的儲能系統(tǒng)就能在關(guān)鍵的用電高峰消減電網(wǎng)壓力，調(diào)節(jié)電網(wǎng)的峰谷平衡。
他補(bǔ)充道，抽水蓄能調(diào)節(jié)的容量很大，適用于大型發(fā)電廠，并且受地理條件限制。而鈉硫電池體積小、方便靈活，更適用于社區(qū)、醫(yī)院，甚至家庭等小規(guī)模供電系統(tǒng)。
產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)還需國家層面支持
目前，硅酸鹽所100千瓦/800千瓦時的鈉硫電池儲能系統(tǒng)正在經(jīng)受上海世博會的示范考驗。世博會期間，國家電網(wǎng)上海世博園智能電網(wǎng)綜合示范工程（上海漕溪能源轉(zhuǎn)換綜合展示基地）對4種儲能電池同時示范，其中鈉硫電池是容量最大的一種，占到總?cè)萘康?/3。
記者在采訪時注意到，地處上海漕溪路變電站的儲能示范控制中心對嘉定基地的儲能系統(tǒng)全程遠(yuǎn)程控制和操作。該系統(tǒng)目前穩(wěn)定運(yùn)行，成功并網(wǎng)，在夜里充廉價電，白天放電重新輸回電網(wǎng)。
“這也是將來能走到商業(yè)化應(yīng)用的起步。”溫兆銀滿懷希望地說。
“為了實現(xiàn)工程化研究，我們研制出一條2兆瓦單體鈉硫電池的試驗平臺，每天可以制備35~40個大容量電池。羅宏杰所長、楊建華副所長親自推動項目的開展。”溫兆銀說：“通過這條試驗線，我們使鈉硫電池快速走向了小批量化試制，現(xiàn)在已經(jīng)掌握了鈉硫電池生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，為產(chǎn)業(yè)化打下了基礎(chǔ)。當(dāng)然要真正進(jìn)入市場應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。”
儲能市場是巨大的，有數(shù)據(jù)顯示，僅上海一地可預(yù)見的市場規(guī)模就可達(dá)400億元。
溫兆銀認(rèn)為，將來各種儲能技術(shù)都會有各自的市場，即便鈉硫電池分享其中的一小塊也是很大的市場。“現(xiàn)在最緊急的是可再生能源如何實現(xiàn)并網(wǎng)。這塊不僅市場大，而且需求迫切，沒有儲能系統(tǒng)的配套，風(fēng)力發(fā)電基本上不能實現(xiàn)并網(wǎng)而無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)”。
除了在日本國內(nèi)100多個電站中運(yùn)行。NGK的技術(shù)還遠(yuǎn)銷國際市場。僅2009年，NGK就有150兆瓦容量出口到歐洲、300兆瓦的合同輸出到阿聯(lián)酋。
“NGK年生產(chǎn)能力只有150兆瓦，但是國外訂單已經(jīng)把未來3年的產(chǎn)量訂滿了，可見鈉硫電池的儲能市場供不應(yīng)求。”溫兆銀分析道。
記者分析發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的一臺風(fēng)機(jī)一般在3~5兆瓦左右，需要對應(yīng)2兆瓦左右的儲能系統(tǒng)進(jìn)行匹配。而數(shù)據(jù)顯示，我國到2020年的風(fēng)電累計裝機(jī)將達(dá)到2300萬兆瓦。
“所以對于儲能市場來說，150兆瓦是個很小的數(shù)字。現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上市場的發(fā)展。”溫兆銀說。
對于市場需求的迫切性和發(fā)展不協(xié)調(diào)的現(xiàn)狀，溫兆銀認(rèn)為必須有國家層面的推動才能實現(xiàn)突破。他說：“現(xiàn)在很多技術(shù)有技術(shù)基礎(chǔ)，但是要真正進(jìn)入市場還很難，要向產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)必須有更大的支持力度。”
據(jù)悉，NGK公司在研發(fā)鈉硫電池的最初幾年中一直虧本，NGK每位新上任的理事長最頭疼的一件事就是到底還要不要研發(fā)鈉硫電池。而它最后能堅持下來多虧了東京電力持續(xù)的大力支持，讓一項已經(jīng)被世人放棄的技術(shù)重獲新生。
劉宇認(rèn)為，NGK之所以能實現(xiàn)商業(yè)推廣，一個重要因素是日本機(jī)電配套企業(yè)的能力很強(qiáng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化、連續(xù)化。“它的自動化程度甚至比生產(chǎn)鋰離子電池還高。”劉宇說，“我們下一步要實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)面臨的主要問題就是中國企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)能力。”
溫兆銀表示，硅酸鹽所的鈉硫電池正處在產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)備階段，除了跟電網(wǎng)公司合作，還將與制造企業(yè)合作，共同推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。“這個產(chǎn)業(yè)涉及到很多方面，一旦推動起來將很快形成巨大的產(chǎn)業(yè)鏈。”他說。
NGK從2002年開始商業(yè)推廣，到2008年實現(xiàn)贏利，用了6年的時間。根據(jù)溫兆銀理想的設(shè)計，我國現(xiàn)在必須加速起步，花上3～5年時間達(dá)到日本現(xiàn)在的規(guī)模。“要做到這點才能順利進(jìn)入市場規(guī)模的生產(chǎn)，今后形成一定的競爭力。”他強(qiáng)調(diào)。
