电池储能技术在核电厂的适用性分析

倪 丹，黄冬艳，陈 冬

(1.上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233；2.浙江南都电源动力股份有限公司，浙江杭州 311305)

为了确保安全，核电厂设置了多个连续和独立的纵深防御层次，防止事故对人员和环境造成危害。为满足不同纵深防御功能的需求，各核电厂分别设置了不同的应急及替代动力源[1-4]，以确保在各种运行事件及事故工况下并且失去厂外电源时，都能提供必要的动力供应，进行安全停堆，并将电厂维持在安全状态，直到厂外电源恢复。核电厂对应纵深防御功能的支持动力源如表1 所示，一般采用铅酸蓄电池及柴油机作为不同功能的动力源，在发生全厂断电的情况下，为堆芯冷却、余热排出、保持安全壳完整性的设施提供可靠电力。

表1 核电厂纵深防御功能的支持动力源

福岛事件后，为了提升核电厂严重事故的预防和缓解能力，对事故后电源的供电持续时间提出了更高的要求，并要求提高电源配置的多样性，从而减少共因故障(包括共模故障)导致电源不可用的可能性。本文将结合核电厂各个纵深防御层次的电源要求，探讨各种储能技术的适用性。

1 直流及UPS 系统

核电厂的直流及UPS 系统分为安全级和非安全级，国内目前均采用富液式铅酸蓄电池作为该系统的动力源。不同核电厂的配置情况如表2 所示。

表2 核电厂直流及UPS 系统的蓄电池配置情况

核电厂的蓄电池处于常温浮充后备状态，新储能技术在核电厂应用应考虑以下基本限制条件：核电厂的蓄电池空间有限，因此新储能技术的电池能量密度需超过富液式铅酸蓄电池；核电厂对可靠性要求较高，新储能技术在通信等其他浮充运行工况下应有成熟的运行经验，实际寿命应超过5 年(25 ℃)，理论寿命应超过15 年(25 ℃)。此外，由于与其他系统及设备一同布置于核岛或常规岛厂房，需要具有较好的安全性，避免对其他系统造成影响。

各种电池储能技术的性能分析如表3 所示。液流电池比能量较低，并且需要配套管道、泵阀等部件，系统更加复杂，预期寿命也较低；钠硫电池需要在高温环境下运行，并且金属钠易燃，安全性不好；锂离子电池虽然有较高的比能量，但存在自燃、爆炸的风险，因此适用性不及阀控式铅酸电池和铅炭电池，此技术关键是需要选择合适蓄电池控制系统保证蓄电池单体平衡与安全；铅炭电池具有较高的比能量，但目前成熟的运行经验有限，可作为后续关注的技术方向；富液式铅酸蓄电池由于会释放少量氢气，因此蓄电池间存在一定的因氢气聚集而产生的爆炸风险，但通过合理的通风系统配置，可将氢气总量控制在远低于爆炸风险值，确保运行安全；阀控式铅酸蓄电池在通信行业有着成熟的应用经验，相较富液式铅酸电池，阀控式铅酸蓄电池的氢气释放量更小，因此总的来说，阀控式铅酸蓄电池为最适用于核电厂应用的储能新技术。

表3 不同电池储能技术性能情况

对于有抗震要求的场合，需进行抗震鉴定，已有案例证明阀控式铅酸蓄电池可满足核电厂抗震性能要求。对于安全级场合，还应进行1E 级鉴定，需根据蓄电池的失效机理，确定显著老化机理及其对应的老化模型，进行寿命老化模拟验证。

2 厂内应急/备用电源系统

核电厂采用中压柴油发电机作为厂内应急/备用电源系统的动力源，在失去厂外电源的情况下为厂内应急或纵深防御负荷供电。不同核电厂的配置情况如表4 所示。

表4 核电厂应急/备用柴油机配置情况

核电厂厂内应急/备用电源在考虑其他储能替代技术时需分析以下性能指标及可行性。

(1)起动时间(响应时间)快，要求应急柴油机/备用柴油机2 min 起动完成，可加载负荷。起动时间延长会影响事故分析的结论。

(2)保证较大的输出功率和较长的后备时间，要求高能量密度、高功率密度的储能方式。

(3)具有较高的供电可靠性和安全性要求。目前柴油机的可靠性指标为0.98，此数据降低将影响安全分析结论。

(4)应急柴油机需进行1E 级鉴定。

按照最小的需求规模考虑，即需求容量为2 000 kW，持续供电时间为7 天，则对应的储能电站需求功率为2 MW，能量要求为336 MWh。

美国电力研究协会(EPRI)2015 年公布的储能应用数据如图1 所示，功率需求为MW 级，要求的放电时间为小时级的储能技术为铅炭电池、钠硫电池、锌溴液流电池、铁铬液流电池。

图1 各种储能技术适用场合示意图

钠硫电池运行温度较高，安全性较差。锌溴液流电池的溴和溴盐有较强的毒性和腐蚀性。先进铅酸(铅炭)电池一般用于风光储配套或削峰填谷的储能电站，后备时间＜12 h，随着放电时间增长，放电性能大大降低，对于后备时间长的场景需并联系统以增大容量，表5 列出了功率需求2 000 kW、供电时长7 天柴油机与铅炭储能电站的配置情况，无论是经济性、成熟性还是可靠性，铅炭电池、液流电池都还有较大差距。

综上，电池储能技术不适合作为核电厂的厂内应急及备用电源。

3 严重事故移动电源

各核岛厂根据事故缓解功能需求配置了相应柴油发电机(辅助柴油发电机、LLS 柴油发电机、后备柴油发电机组、SBO 柴油发电机)在全厂断电工况下，为严重事故的预防和缓解措施供电。福岛事故后，为了进一步提高核电厂全厂断电的应对能力，要求增设移动式应急电源，供电时间不低于72 h。部分核电厂移动电源的配置需求如表6所示[5-6]。

表5 柴油机与其他电池储能电站方案比对

表6 部分核电厂移动电源配置需求

一般移动式储能电站多采用铅炭电池或磷酸铁锂电池技术，锂电池比能量更高，一个集装箱为1～2.5 MWh，更匹配容量需求。对于低压移动电源，可通过同时接入多个集装箱式储能系统或陆续更替接入单个集装箱来实现72 h 长时间的供电需求。若更替接入，需进一步分析短时断电是否会对系统造成不良影响。对于中压移动电源，由于72 h 的供电总能力需求过大，不适合采用电池储能技术。

若配置移动式的电池储能系统，可考虑与光伏或风电结合，为部分核电厂非生产相关设置提供电源。正常工况下，储能电站作为光伏或风电的后备电源，保证全天正常的用电需求。在事故工况下，可移至核岛厂房电气接口附件接入，为严重事故预防和缓解设施供电。中广核核电站高容量电池储能项目整体规模3 MW/4 MWh，采用了磷酸铁锂储能系统，并通过了交变湿热、抗震等鉴定试验。

4 结论

本文基于对电池储能技术在核电厂应用的可行性研究分析，得出以下结论：阀控式铅酸蓄电池适用于核电厂直流及UPS 系统，由于比能量高于富液式铅酸蓄电池，因此更具应用优势，但对于安全级使用场合，需完成相关的老化试验及抗震试验鉴定；厂内应急/备用电源系统由于供电需求时间为7 天，不适合采用电池储能技术，柴油发电机仍是最成熟、可靠、经济的技术方案；在移动电源方面，电池储能技术不适用于中压场景，对于低压移动电源，可根据容量需求配置磷酸铁锂集装箱式储能系统。建议同步配置光伏或风电，平时结合储能系统为部分非生产相关设施(办公楼、仓库等)提供电源，以提高利用率和经济性。