铅酸蓄电池的二次利用

纪哲夫，谢欢欢，罗文杰



铅酸蓄电池的二次利用

纪哲夫，谢欢欢，罗文杰

（深圳供电局有限公司，广东深圳 518000）

目前铅酸蓄电池的二次利用，主要是在电池报废之后，将蓄电池拆解后分类、极板回炉、塑料回路、生成原材料这几方面，而本文主要针对电力系统中报废的阀控式铅酸蓄电池在使用科学的修复技术修复后，应用至光伏发电系统、家庭储能等场景中的可行性进行分析。本文首先分析了电池过早失效的原因主要是硫酸盐化及缺水，然后简单介绍了最新行业标准推荐的修复技术修复液修复法，可有效解决铅酸蓄电池硫酸硫化及缺水问题，并有效恢复失效电池的容量、降低内阻，再分析修复后电池在储能领域运用的可行性。同时探讨了修复后的阀控式铅酸蓄电池在家庭光伏发电储能、家庭储能、储能电站的应用方案，并对未来报废电池在这些领域的应用提出了展望。

阀控式铅酸蓄电池；电池修复；二次利用；储能；降低成本

在电力系统中，有2个场景需要大量采用铅酸蓄电池作为后备能源。一个是电力变电站采用110 V、220 V铅酸蓄电池组作为电力调度、控制的后备电源，另一个是电力通信的48 V通信电源柜。而阀控式铅酸蓄电池又是变电站应用最广的一种，因为这种电池具备安全的阀门装置，阀门设计原则要求蓄电池内部压力超过30 kPa时（30 kPa压力的概念比较抽象，可以理解为一杯茶水对桌面的压力），阀门就必须打开，也就是说铅酸阀控蓄电池永远不具备爆炸条件，所以这种类型的蓄电池具有高安全性。而至今锂电池的安全性的问题却始终未有效解决，如果一个造价几千万甚至几个亿的变电站采用锂电池作为后备电源，如果锂电池爆炸而毁掉变电站，这是得不偿失的。除了安全性高外，铅酸蓄电池还具备成本低、生产工艺成熟的优点，所以在未来相当长的时间内，铅酸蓄电池仍将作为电力系统的最重要的后备电源。

但是目前铅酸蓄电池虽已基本实现回收再利用，但无组织回收仍占主导地位，克服废铅蓄电池回收再生过程的二次污染，是“十三五”期间电池行业的重要任务之一。因此将报废的铅酸蓄电池修复后进行二次利用，减少电池的报废量，这对环境保护具有重要意义。

1 二次利用可行性分析

1.1 电力系统铅酸蓄电池应用现状

在电力系统实行统一采购之后，阀控式铅酸蓄电池往往在使用3～5年后[1]，其容量已经低于国家要求的不低于标称容量80%的要求，同时，目前电网对蓄电池进行的管理策略也让蓄电池维护人员面临巨大的压力。一方面，蓄电池没有达到设计寿命，不能轻易更换新蓄电池；二是即使允许更换新蓄电池，整个审批流程相当漫长，在审批期间让蓄电池带病工作，严重影响直流系统的安全，也影响到电网的可靠运行。对于低于标称容量80%的电池，无论外观是否完好，这些蓄电池就是失效的，必须报废。另外小部分质量上乘的电池，使用了8～10年之后也必须报废。

1.2 电力系统蓄电池失效原因

铅酸蓄电池失效的原因除了物理性损坏（如外壳臌胀、漏液，电池内部短路、开路，极板严重腐蚀，外壳严重损伤等）外，基本上就是硫酸盐化与缺水这两种原因导致[2]，这在全球范围内已达成共识，导致上述两种现象除电池本身质量因素外，基本上是因电力系统未能按照铅酸蓄电池标准维护规范进行维护，未能及时对蓄电池进行充放电。

但大多数已失效的铅酸蓄电池，外观仍然是完好的，如果可以进行修复再生，则可继续回网使用或在储能领域应用。但以前由于铅酸蓄电池修复技术一直未有技术突破，修复后的实际寿命只有很短的时间，这使得电力系统报废的铅酸蓄电池在二次利用上比较乏力。

1.3 铅酸蓄电池修复技术成熟

目前，在南方电网公司设备部的领导下，已经在南方电网开展了大量的蓄电池再生修复推广工作，大量的铅酸蓄电池经过科学的再生修复后，大部分的劣化蓄电池可实现100%恢复容量，并重新投入电网继续工作。从这个角度考虑，实际上已经体现了铅酸蓄电池二次利用的巨大经济价值。也体现南方电网在节能环保、循环经济领域跨出很重要的一步。

但在实际的操作过程中，也发现一些铅酸蓄电池由于生产工艺不完善等原因，蓄电池严重劣化后，即使经过再生修复处理，蓄电池容量也没有办法实现80%以上的容量恢复，按照标准，这些蓄电池需要纳入报废处理流程。众所周知，报废的铅酸蓄电池，即使按照规范的报废流程处理，也会存在较大的环保问题。更何况国内大部分企业、个人基本未按照规范的蓄电池报废处理流程进行处理，此举对环境污染影响可想而知。但是，这些蓄电池还具备一定的储能能力，而且在科学再生修复后，仍有3～5年的寿命，完全可以将这类报废的电池作为一般的储能设备。

2016年10月中国电力企业联合会已发布了铅酸蓄电池二次利用团体标准T/CEC 131.2—2016铅酸蓄电池二次利用[3-7]，标准包含了铅酸蓄电池二次利用总则、评价分级及成组技术规范、电池修复技术规范、电池维护技术规范、电池贮存与运输技术规范，该标准为铅酸蓄电池二次利用提供工作标 准及规范，更有效促进铅酸蓄电池二次利用的工作开展。

《T/CEC 131.3—2016铅酸蓄电池二次利用第3部分：电池修复技术规范》标准中推荐的修复液修复法[5]已经在南方电网进行实践并推广，经实验发现此法修复效果良好，可有效解决铅酸蓄电池盐酸硫化及缺水问题，有效恢复蓄电池的容量、降低内阻，是科学通用的修复法，这种阀控式铅酸蓄电池的修复技术已经成熟，可以大面积推广。

当然，除电网外，采用铅酸蓄电池的其它行业也存在大量的蓄电池可以二次利用。表1是相关行业的数据。

表1 各行业铅酸蓄电池二次利用情况

从表1可看出，电力行业、通信行业、军队等行业的后备电源铅酸蓄电池都可以进行二次利用，电动自行车蓄电池设计寿命短，内部电解液密度高、腐蚀严重，不适合二次利用。而汽车的启动电池，由于是富液蓄电池，汽车长期行驶，导致蓄电池极板上活性物质脱落，也不具备二次利用价值。

1.4 二次利用经济收益分析

目前，在世界范围内积极开展的储能技术的应用研究，脱离不了蓄电池作为储能的载体。将经修复再生处理后的铅酸蓄电池应用于光伏发电、储能技术应用领域，可以最大发挥铅酸蓄电池的梯次 利用。

如电力系统常规使用的220 V蓄电池组，常规配置300 A·h的蓄电池组。假设蓄电池组的容量是标称容量的70%，即蓄电池还具备200 A·h以上的容量。按0.1C蓄电池标准的充放电容量要求，这个蓄电池组还可以实现==220 V×20 A=4400 W的功率，具备每天==4400 W×10 h=44 kW·h的储能能力；而一个4400 W的储能系统，已经满足绝大部分家庭储能项目的需要。

行业标准推荐的修复液修复法修复费用一般为新电池的30%以内，修复后的后备电池修复后寿命按3年计算，以汤浅2 V 300 A·h的新电池为例，新采购的电池为700元左右，在储能电站以50%容量浅充浅放的方式使用，则每天2次充放电能够放出1 kW·h。以用电高峰期和低谷期电价差平均约0.6元计算，1只汤浅2 V 300 A·h的铅酸蓄电池在使用寿命器件能够产生的经济价值为0.6×(3×365)-700×0.3=447元，综上所述，修复后的铅酸蓄电池在储能系统的应用的可行性是充分的。

另外，按照目前国家对家庭储能项目的支持政策，再结合光伏发电进行应用。收益首先体现在光伏发电部分：按照家庭平均太阳能板面积为100平方米，按现在的技术水平，搭建4500 W的家庭光伏发电系统绰绰有余，按照中国中部地区太阳能发电的能力，每天按10小时的发电时间计算，每年按250天可发电计算，年平均发电为(4500×10/1000)×250=11250 kW·h。其次是家庭储能部分：晚上在电价便宜时（凌晨0点至早上8点），也可以把电网工业用电的电储存在蓄电池组上，在白天用电高峰，则把蓄电池储能释放到电网，4500 W可存储月均发电量为(4500×8/1000)×365=13140 kW·h，当然在白天无阳光的情况下，可进行充放电两个循环来获得更多电量，这部分暂时不计算。目前，光伏发电国家奖励0.42元/(kW·h)，卖给电网为0.51元/(kW·h)，而工业用电波峰电价与波谷电价差额为0.6元左右。光伏发电结合家庭储能应用，一个家庭发电每年 最少可以产生约11250×(0.41＋0.51)＋(13140)×0.6=18234元的收益；现有光伏家庭发电系统搭建4500 W的带修复后蓄电池发电系统成本为6万元左右，基本上，光伏发电结合家庭储能项目的投入3年左右就可以收回投资，因此，电力系统报废电池应用于家庭储能领域是可行的。

若采用新蓄电池搭建储能电站，由于新蓄电池寿命折损因素，目前，大部分蓄电池折损每储存一度电的成本普遍高于0.6元，投资回报周期太长，这个也是阻碍储能电站发展的主要因素[8]。

1.5 铅酸蓄电池二次利用的SOH评估

铅酸蓄电池二次利用，也需要对蓄电池的质量进行相对的监控，不能出现过充电、过放电的现象。

在实际的储能应用中，采用广州泓淮能源科技有限公司的蓄电池智能管理装置，直流母线电压为400 V。常规采取如图1所示的方式实现蓄电池二次利用。

该设备具备如下的特征：①支持不同容量的蓄电池组接入；②支持不同电压等级的蓄电池接入；③也支持锂离子电池的二次利用；④每个蓄电池组单独充电、放电管理；⑤多组蓄电池组通过蓄电池管理装置挂接在直流母线上；⑥每个蓄电池单体均安装单体电压、温度采集模块；⑦每个蓄电池组的充电、放电电压、电流、容量均可以在蓄电池智能管理装置上配置。由于蓄电池组每天都在进行充电、放电的操作，根据蓄电池充电、放电的容量就可以轻松判定某蓄电池组的某个单体落后情况。当出现劣化比较严重的蓄电池单体时，只需要旁路这个落后单体，在蓄电池智能管理装置设置当前蓄电池组的单体数量，系统就可以继续工作。采用该方式，降低蓄电池二次利用储能电站的建造成本与维护成本。

2 二次利用应用场景分析

本文着重介绍可二次利用的铅酸蓄电池在家庭光伏发电储能、家庭储能、储能电站这3个场景的应用。

2.1 家庭光伏发电储能应用

光伏发电是当今世界利用太阳能最主要的一种方式。面对当今全球面临的严重化石能源危机和环境危机，光伏发电从资源可持续性和环境友好这两个角度都具有显而易见的优势，作为全球新兴行业的一个重要代表，长期来看具有广阔发展前景，吸引着大量企业参与和投资。目前国内光伏发电建设一直靠国家补贴在缓慢发展，成本高的问题一直未根本解决，而将报废的蓄电池应用到光伏发电中，其成本将大幅降低。

如图2所示，光伏发电系统是由太阳能电池光伏板、蓄电池组、充放电机、逆变并网放电系统、太阳能跟踪控制系统等设备组成。

太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求有：自放电率低；使用寿命长；深放电能力强；充电效率高；少维护或免维护；工作温度范围宽；价格低廉。

在当前的条件下，如果使用新的蓄电池，成本低廉这个特点是难以得到满足的。但对于电力系统中结合着科学电池修复技术提前报废的电池是可以满足上述几点要求的，尤其是价格低廉，这将为光伏发电系统的真正落地推广推进一大步。

2.2 家庭储能应用

家庭储能系统储能的意义之一在于在用电低谷时向电池组充电储能，用电高峰期时电池组放电回馈电网，对电网进行局部错峰调谷，均衡用电负荷。与电网级的储能应用相比，家庭储能系统更类似于不受城市供电压力影响的家庭微型电网中的微型储能电站，为家庭用户节省开支。而像太阳能和风能等可再生能源会受到天气影响，一旦发生意外则难以持续为用户续航，图3所示这套储能系统则可以持续稳定的给家庭用户提供能源供应。

如果采用电力系统报废的电池作为储能设备，那么储能系统的成本也可以大幅下降，寿命也不算短，充电效率相对较高，基本不用维护，可将电池的作用发挥到极致。

2.3 储能电站应用

为解决用电高峰无电可用，低峰用电率的问题，国内外已有大量的人员在建设储能电站。现有的储能电站大致可以分为物理储能、化学储能、电磁储能三种。其中化学储能方式对于周围的要求是最低的，而铅酸蓄电池又是作为化学储能中应用最广的一种储能设备，如图4所示为储能电站示意图。目前的技术水平为直接使用新的蓄电池，成本居高不下，从而导致储能的意义不大，如果能把成本降低了，那建设这类储能电站才有真正的意义。如果将电力系统报废的电池应用到图4的架构中，再配合科学的电池修复技术，成本会大幅度降低。

3 结 论

综上所述，电力系统中过早失效的那些铅酸蓄电池，配合科学的铅酸蓄电池修复技术修复后，可以大刀阔斧应用到光伏发电储能、家庭储能和储能电站中，从而实现报废铅酸蓄电池二次应用，扩长其寿命时间，减少铅酸蓄电池的使用量，从而降低这类电池对环境的污染。最终可缓解高峰无电可用，低峰电无人用而浪费的问题，大大提升电力系统的价值，更加方便企业、家庭用电，这对电网的发展存在重大的意义。

[1] 马建胜. 变电站铅酸蓄电池维护“老大难”问题可解[N]. 中国电力报, 2016-12-26.

[2] 苏海军, 尹德强. 变电站蓄电池运行常见故障原因分析及措施[J].中国新技术新产品, 2009(23): doi: 10.3969/j.issn.1673-9957.2009. 23.145.

SU Haijun, YIN Deqiang. Analysis and measures of common faults in battery operation of substation[J]. China New Technology and Products, 2009(23): doi: 10.3969/j.issn.1673-9957.2009. 23.145.

[3] 裴峰, 史晓燕, 贾蕗璐, 等. T/CEC 131.1—2016 铅酸蓄电池二次利用第1部分: 总则[S]. 北京: 中国电力出版社, 2016.

PEI Feng, SHI Xiaoyan, JIA Lulu, et al. T/CEC 131.1-2016 sencondary utilization of lead-acid batteries Part 1: General[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2016.

[4] 裴峰, 刘爱华, 等. T/CEC 131.2—2016铅酸蓄电池二次利用第2部分: 电池评价分级及成组技术规范[S]. 北京: 中国电力出版社, 2016.

PEI Feng, LIU Aihua, et al. T/CEC 131.2-2016 sencondary utilization of lead-acid batteries Part 2: Classification and group technical specifications of batteries[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2016.

[5] 裴峰, 黄尚南, 黄锦燕, 等. T/CEC 131.3—2016铅酸蓄电池二次利用第3部分：电池修复技术规范[S]. 北京: 中国电力出版社, 2016.

PEI Feng, HUANG Shangnan, HUANG Jinyan, et al. T/CEC 131.3-2016 sencondary utilization of lead-acid batteries Part 3: Restoration technical specifications of batteries[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2016.

[6] 裴峰, 郑益, 郑爱华, 等. T/CEC 131.4—2016铅酸蓄电池二次利用第4部分: 电池维护技术规范[S]. 北京: 中国电力出版社, 2016.

PEI Feng, ZHENG Yi, ZHENG Aihua, etc. T/CEC 131.4-2016 sencondary utilization of lead-acid batteries Part 4: Maintennance technical specifications of batteries[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2016.

[7] 裴峰, 张萌, 等. T/CEC 131.5—2016铅酸蓄电池二次利用第5部分: 电池贮存与运输技术规范[S]. 北京: 中国电力出版社, 2016.

PEI Feng, ZHANG Meng, et al. T/CEC 131.5-2016 sencondary utilization of lead-acid batteries Part 5: Storage and transportation technical specifications of batteries[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2016.

[8] 杨歌. 来小康: 储能没有捷径可走[J]. 电力系统装备,2014(8): 77-78.

YANG Ge. LAI Xiaokang: There is no shortcut to energy storage[J]. Electric Power System Equipment, 2014(8): 77-78.

The secondary utilization of VRLA battery

,,

(Shenzhen Power Supply Bureau Co. Ltd., Shenzhen 518000, Guangdong, China)

The recently research for secondary utilization of VRLA Battery mainly refer to scrapped batteries disassembling, classifying, plate melting and plastic recycling technology to produce the raw materials In this paper, we discussed the feasibility of applying secondary utilization of VRLA Battery in the power system, which have been repaired with scientific method, to several scenes such as family storage etc. This paper first analyzes the causes of premature battery failure is lack of water and sulfation, and then briefly introduces the newest industry standards recommend repair technique, which can effectively solve the problem of water shortage and sulfation, and then recover the battery capacity and reduce the internal resistance, also analysis the feasibility of the application of VRLA battery after repaired in energy storage; Finally, We also discussed the application schemes of applying recovered valve regulated lead-acid batteries in the field of domestic photovoltaic energy storage, household energy storage and energy storage power station. And the future of secondary utilization of VRLA Battery using in these areas is prospected as well.

VRLA battery; battery regeneration and restoration; secondary utilization; stored energy; cost reduction

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0101

TQ 028.8

A

2095-4239（2016）02-250-05

2016-11-28；修改稿日期：2017-01-04。

纪哲夫（1984—），男，高级工程师，主要研究方向为变电站直流系统的技术研究，E-mail：419124@qq.com。