電池儲能技術(shù)在核電廠的適用性分析

倪 丹，黃冬艷，陳 冬

(1.上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233；2.浙江南都電源動力股份有限公司，浙江杭州 311305)

為了確保安全，核電廠設(shè)置了多個連續(xù)和獨(dú)立的縱深防御層次，防止事故對人員和環(huán)境造成危害。為滿足不同縱深防御功能的需求，各核電廠分別設(shè)置了不同的應(yīng)急及替代動力源[1-4]，以確保在各種運(yùn)行事件及事故工況下并且失去廠外電源時，都能提供必要的動力供應(yīng)，進(jìn)行安全停堆，并將電廠維持在安全狀態(tài)，直到廠外電源恢復(fù)。核電廠對應(yīng)縱深防御功能的支持動力源如表1 所示，一般采用鉛酸蓄電池及柴油機(jī)作為不同功能的動力源，在發(fā)生全廠斷電的情況下，為堆芯冷卻、余熱排出、保持安全殼完整性的設(shè)施提供可靠電力。

表1 核電廠縱深防御功能的支持動力源

福島事件后，為了提升核電廠嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解能力，對事故后電源的供電持續(xù)時間提出了更高的要求，并要求提高電源配置的多樣性，從而減少共因故障(包括共模故障)導(dǎo)致電源不可用的可能性。本文將結(jié)合核電廠各個縱深防御層次的電源要求，探討各種儲能技術(shù)的適用性。

1 直流及UPS 系統(tǒng)

核電廠的直流及UPS 系統(tǒng)分為安全級和非安全級，國內(nèi)目前均采用富液式鉛酸蓄電池作為該系統(tǒng)的動力源。不同核電廠的配置情況如表2 所示。

表2 核電廠直流及UPS 系統(tǒng)的蓄電池配置情況

核電廠的蓄電池處于常溫浮充后備狀態(tài)，新儲能技術(shù)在核電廠應(yīng)用應(yīng)考慮以下基本限制條件：核電廠的蓄電池空間有限，因此新儲能技術(shù)的電池能量密度需超過富液式鉛酸蓄電池；核電廠對可靠性要求較高，新儲能技術(shù)在通信等其他浮充運(yùn)行工況下應(yīng)有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際壽命應(yīng)超過5 年(25 ℃)，理論壽命應(yīng)超過15 年(25 ℃)。此外，由于與其他系統(tǒng)及設(shè)備一同布置于核島或常規(guī)島廠房，需要具有較好的安全性，避免對其他系統(tǒng)造成影響。

各種電池儲能技術(shù)的性能分析如表3 所示。液流電池比能量較低，并且需要配套管道、泵閥等部件，系統(tǒng)更加復(fù)雜，預(yù)期壽命也較低；鈉硫電池需要在高溫環(huán)境下運(yùn)行，并且金屬鈉易燃，安全性不好；鋰離子電池雖然有較高的比能量，但存在自燃、爆炸的風(fēng)險，因此適用性不及閥控式鉛酸電池和鉛炭電池，此技術(shù)關(guān)鍵是需要選擇合適蓄電池控制系統(tǒng)保證蓄電池單體平衡與安全；鉛炭電池具有較高的比能量，但目前成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)有限，可作為后續(xù)關(guān)注的技術(shù)方向；富液式鉛酸蓄電池由于會釋放少量氫氣，因此蓄電池間存在一定的因氫氣聚集而產(chǎn)生的爆炸風(fēng)險，但通過合理的通風(fēng)系統(tǒng)配置，可將氫氣總量控制在遠(yuǎn)低于爆炸風(fēng)險值，確保運(yùn)行安全；閥控式鉛酸蓄電池在通信行業(yè)有著成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，相較富液式鉛酸電池，閥控式鉛酸蓄電池的氫氣釋放量更小，因此總的來說，閥控式鉛酸蓄電池為最適用于核電廠應(yīng)用的儲能新技術(shù)。

表3 不同電池儲能技術(shù)性能情況

對于有抗震要求的場合，需進(jìn)行抗震鑒定，已有案例證明閥控式鉛酸蓄電池可滿足核電廠抗震性能要求。對于安全級場合，還應(yīng)進(jìn)行1E 級鑒定，需根據(jù)蓄電池的失效機(jī)理，確定顯著老化機(jī)理及其對應(yīng)的老化模型，進(jìn)行壽命老化模擬驗(yàn)證。

2 廠內(nèi)應(yīng)急/備用電源系統(tǒng)

核電廠采用中壓柴油發(fā)電機(jī)作為廠內(nèi)應(yīng)急/備用電源系統(tǒng)的動力源，在失去廠外電源的情況下為廠內(nèi)應(yīng)急或縱深防御負(fù)荷供電。不同核電廠的配置情況如表4 所示。

表4 核電廠應(yīng)急/備用柴油機(jī)配置情況

核電廠廠內(nèi)應(yīng)急/備用電源在考慮其他儲能替代技術(shù)時需分析以下性能指標(biāo)及可行性。

(1)起動時間(響應(yīng)時間)快，要求應(yīng)急柴油機(jī)/備用柴油機(jī)2 min 起動完成，可加載負(fù)荷。起動時間延長會影響事故分析的結(jié)論。

(2)保證較大的輸出功率和較長的后備時間，要求高能量密度、高功率密度的儲能方式。

(3)具有較高的供電可靠性和安全性要求。目前柴油機(jī)的可靠性指標(biāo)為0.98，此數(shù)據(jù)降低將影響安全分析結(jié)論。

(4)應(yīng)急柴油機(jī)需進(jìn)行1E 級鑒定。

按照最小的需求規(guī)模考慮，即需求容量為2 000 kW，持續(xù)供電時間為7 天，則對應(yīng)的儲能電站需求功率為2 MW，能量要求為336 MWh。

美國電力研究協(xié)會(EPRI)2015 年公布的儲能應(yīng)用數(shù)據(jù)如圖1 所示，功率需求為MW 級，要求的放電時間為小時級的儲能技術(shù)為鉛炭電池、鈉硫電池、鋅溴液流電池、鐵鉻液流電池。

圖1 各種儲能技術(shù)適用場合示意圖

鈉硫電池運(yùn)行溫度較高，安全性較差。鋅溴液流電池的溴和溴鹽有較強(qiáng)的毒性和腐蝕性。先進(jìn)鉛酸(鉛炭)電池一般用于風(fēng)光儲配套或削峰填谷的儲能電站，后備時間＜12 h，隨著放電時間增長，放電性能大大降低，對于后備時間長的場景需并聯(lián)系統(tǒng)以增大容量，表5 列出了功率需求2 000 kW、供電時長7 天柴油機(jī)與鉛炭儲能電站的配置情況，無論是經(jīng)濟(jì)性、成熟性還是可靠性，鉛炭電池、液流電池都還有較大差距。

綜上，電池儲能技術(shù)不適合作為核電廠的廠內(nèi)應(yīng)急及備用電源。

3 嚴(yán)重事故移動電源

各核島廠根據(jù)事故緩解功能需求配置了相應(yīng)柴油發(fā)電機(jī)(輔助柴油發(fā)電機(jī)、LLS 柴油發(fā)電機(jī)、后備柴油發(fā)電機(jī)組、SBO 柴油發(fā)電機(jī))在全廠斷電工況下，為嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解措施供電。福島事故后，為了進(jìn)一步提高核電廠全廠斷電的應(yīng)對能力，要求增設(shè)移動式應(yīng)急電源，供電時間不低于72 h。部分核電廠移動電源的配置需求如表6所示[5-6]。

表5 柴油機(jī)與其他電池儲能電站方案比對

表6 部分核電廠移動電源配置需求

一般移動式儲能電站多采用鉛炭電池或磷酸鐵鋰電池技術(shù)，鋰電池比能量更高，一個集裝箱為1～2.5 MWh，更匹配容量需求。對于低壓移動電源，可通過同時接入多個集裝箱式儲能系統(tǒng)或陸續(xù)更替接入單個集裝箱來實(shí)現(xiàn)72 h 長時間的供電需求。若更替接入，需進(jìn)一步分析短時斷電是否會對系統(tǒng)造成不良影響。對于中壓移動電源，由于72 h 的供電總能力需求過大，不適合采用電池儲能技術(shù)。

若配置移動式的電池儲能系統(tǒng)，可考慮與光伏或風(fēng)電結(jié)合，為部分核電廠非生產(chǎn)相關(guān)設(shè)置提供電源。正常工況下，儲能電站作為光伏或風(fēng)電的后備電源，保證全天正常的用電需求。在事故工況下，可移至核島廠房電氣接口附件接入，為嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解設(shè)施供電。中廣核核電站高容量電池儲能項(xiàng)目整體規(guī)模3 MW/4 MWh，采用了磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)，并通過了交變濕熱、抗震等鑒定試驗(yàn)。

4 結(jié)論

本文基于對電池儲能技術(shù)在核電廠應(yīng)用的可行性研究分析，得出以下結(jié)論：閥控式鉛酸蓄電池適用于核電廠直流及UPS 系統(tǒng)，由于比能量高于富液式鉛酸蓄電池，因此更具應(yīng)用優(yōu)勢，但對于安全級使用場合，需完成相關(guān)的老化試驗(yàn)及抗震試驗(yàn)鑒定；廠內(nèi)應(yīng)急/備用電源系統(tǒng)由于供電需求時間為7 天，不適合采用電池儲能技術(shù)，柴油發(fā)電機(jī)仍是最成熟、可靠、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)方案；在移動電源方面，電池儲能技術(shù)不適用于中壓場景，對于低壓移動電源，可根據(jù)容量需求配置磷酸鐵鋰集裝箱式儲能系統(tǒng)。建議同步配置光伏或風(fēng)電，平時結(jié)合儲能系統(tǒng)為部分非生產(chǎn)相關(guān)設(shè)施(辦公樓、倉庫等)提供電源，以提高利用率和經(jīng)濟(jì)性。