集装箱锂电储能系统水路运输安全风险分析及合规建议

2023-12-27 10:29来源： 罗薇林燕等世界海运

摘要：近几年国内外储能电站因集装箱锂电储能系统引发多起安全事故，引起了全球广泛关注。集装箱锂电储能系统水路运输需求的不断增大，给水路运输安全带来了新的问题和挑战。从该产品的安全特性入手，分析其在水路运输过程中存在的安全风险，并结合《国际海运危险货物规则》相关要求，提出保障水路运输安全的合规建议。

关键词：集装箱；锂电储能系统；安全风险；水路运输；合规

在“双碳”目标的推动下，我国风电、光伏、潮汐发电等清洁能源快速发展，推动了能源电力供需格局不断演化。清洁能源具有波动性、间歇性、随机性特征，受天气影响明显。清洁能源发电大规模并网后，导致电网系统的电能质量、安全稳定性能、调控能力等下降，而集装箱锂电储能系统作为一种新型的储能产品能够有效解决上述问题，是实现我国“双碳”目标的关键技术装备。2022年，国家发展改革委和国家能源局印发的《“十四五”新型储能发展实施方案》提出，到2025年我国新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段，2030年新型储能实现全面市场化发展，全面支撑能源领域碳达峰目标如期实现。目前，中国是全球最大的集装箱锂电储能系统生产国之一，拥有庞大的锂资源储备和完整的产业链。根据全球咨询机构Wood Mackenzie发布的2022年全球电池储能系统集成商市场份额的最新统计数据，全球前五大系统集成商占电池储能系统总出货量 ( 以MWh计 ) 的62%，其中中国企业占据三席。中国企业阳光电源以16%的全球市场份额位居全球第一，其后是Fluence占14%，特斯拉占14%，华为占9%，比亚迪占9%。

水路运输具有运量大、运费低、能耗小、污染少等优点，是当下集装箱锂电储能系统运输的主要方式。由于电池能量密度高，集装箱锂电储能系统具有较高的安全风险属性。根据索比 ( solarbe ) 储能网的统计，2017年以来国内外储能电站因集装箱锂电储能系统引发的安全事故达70余起，引起全球广泛关注。集装箱锂电储能系统水路运输量不断增加，带来的水路安全运输问题不容忽视。为此，本文从集装箱锂电储能系统的产品特性入手，分析其在水路运输过程中存在的安全风险，并结合国际公约规则的要求，提出保障水路运输安全的合规建议。

二、产品安全特性分析

集装箱锂电储能系统是针对移动储能市场需求开发的集成化储能系统，采用标准化设计。该产品以集装箱为载体，其内部核心部件由电池、电池管理系统 ( BMS )、储能变流器 ( PCS )、消防系统、空调系统等组成。该产品可以作为一个独立的系统连接到电网，起到峰值削波、谷值补偿和无功补偿的作用，也可作为后备电源使用[1]。从安全特性上分析，该产品具有如下特点：

( 1 ) 该产品具有较高的电池能量。通常储能系统的电池单体 ( cell ) 多采用电池容量为280 Ah的磷酸铁锂大电池。这些电池单体通过串并联组成电池包 ( pack )，然后电池包通过串并联组成电池簇 ( rack )，再由多个电池簇集成整个系统。集成后的系统整体电池能量大于6 200 Wh，额定功率超兆瓦。以某电箱型号为10P52S＊8的储能系统为例，电池容量为280 Ah的电池单体多达4 160个，标称电量高达3.72 MWh。

( 2 ) 该产品具有较大的尺寸和质量。由于储能系统内置大量的密度较高的电池和各类辅助系统，因此该产品相较于普通集装箱而言质量和体积较大。以某企业生产的外部载体采用20 ft集装箱的锂电储能系统为例，该产品总质量高达35 t，远远超过20 ft常规集装箱25 t的最大装载量。

( 3 ) 该产品具有多重危险性。根据《国际海运危险货物规则》，其组成部分中多个要件属于规则列明的危险货物。如锂电池，属于第9类危险货物，灭火系统中的七氟丙烷、氮气、气溶胶 ( 含硝酸钾 ) 等灭火介质属于第2.2类或第9类危险货物，制冷系统中的氟利昂属于第2.2类危险货物。

三、水路运输安全风险分析

( 一 ) 锂电池安全风险

锂电池作为储能系统最重要的组成部分，具有能量密度高、输出功率大等特点。锂电池的安全决定了储能系统的安全，而热失控是导致锂电池发生火灾的根本原因。近年发生的储能电站火灾事故大多是由于锂电池组中某一个电池单体发生热失控后产生大量热，导致周围电池单体受热而发生热失控[2]。诱发锂离子电池热失控的原因复杂，除了电池自身在设计和制造上的缺陷外，外部原因主要有机械滥用 ( 碰撞、挤压、穿刺 )、电滥用 ( 过充、过放和外短路 )、热滥用 ( 外部高温烘烤 ) 以及电池老化所引起的电池内短路等。锂电池发生热失控后，从出现燃烧迹象到猛烈燃烧只需要6 s，在短时间内温度迅速升至上千度，同时还伴随着火焰喷射和高温腐蚀性液体飞溅，且在无氧环境也可以剧烈反应[3]。

( 二 ) 装运安全风险

由于储能系统尺寸和质量均较大，因此在装卸和运输过程中面临掉落、冲击、振动的风险较高。当集装箱存在一定的安全缺陷、箱体的牢固性和耐碰撞强度不足时，在装卸和运输过程中难以抵抗外部强烈的冲击和振动对储能系统的影响，容易发生箱体掉落，出现严重变形或损坏，导致箱内装载的锂电池倒塌或受到碰撞、挤压从而引发热失控。同时，如储能系统内电池和辅助系统的质量分布不合理，在吊装过程中也容易因货物重心偏离导致货物失衡跌落。

( 三 ) 消防安全风险

与传统的火灾不同，锂电池火灾具有类型复杂、温度高、难扑救、易复燃、火势快等特点，锂电池热失控导致火灾由内部化学反应提供燃料，该反应释放热量，可以在没有氧气供应或可见火焰的情况下继续燃烧[4]。此外，锂离子电池储能系统中存储的电能和电池模块密集的布置方式对抑制火灾提出了重大挑战。2021年7月30日，位于澳大利亚维多利亚州的特斯拉Megapack储能项目在测试中发生火灾，一个集装箱内的13 t锂离子电池完全被点燃，大火整整燃烧了4天才被扑灭。常见的干粉灭火器和二氧化碳灭火器只能扑灭表面明火，而持续释放的热能会使电池多次复燃。目前，暂时没有一种单独的灭火方法可彻底、有效解决锂离子电池储能系统火灾问题。

四、《国际海运危险货物规则》的要求

考虑到集装箱锂电储能系统运输的迫切需求以及存在的安全隐患，2015年，美国PRBA协会 ( The Portable Rechargeable Battery Association ) 在日内瓦举行的第48次联合国危险货物运输专家分委会会议上，首次提出了关于“装载封闭式货物运输组件中的锂电池”的议题。此前，由于国际相关运输规则中没有适合的货物条目可以参照运输，因此长期以来该类型产品运输存在障碍。美国在运输此类产品时，要求提前获得美国交通部 ( DOT ) 危险物质安全管理局 ( PHMSA ) 的特别批准文件后才能通过公路、铁路和海洋运输。然而，能够通过并且获得DOT的审批，需要提交各种复杂的文件并长时间等待，而最终获得批准的也仅为极少数的美国知名制造商。这些批准文件主要包括以下内容：

①锂电池通过联合国UN 38.3的检测；

②分类为UN 3480或UN 3090的第9类危险货物；

③锂电组、电池管理系统必须固定在机架上；

④装载锂电池的机架应固定在箱体中，防止运输中发生移动，机架必须能承受电池足够大的重量；

⑤运输中锂电池间不能高压联通；

⑥设计防止反向电流，以及防止电池的过充；

⑦运输中储能系统不能与内部或外部电气联通。

2016年，PRBA协会在第49次联合国危险货物运输专家分委会会议上，继续提交了关于该货物运输要求的提案，建议增加一个新的运输条目。2017年，联合国危险货物运输专家分委会经讨论通过，最后在第20版《关于危险货物运输建议书规章范本》中新增了“UN 3536安装在货物运输组件中的锂电池组”条目，危险类别为第9类。2018年，国际海事组织也将该条目及其运输要求引入了《国际海运危险货物规则》第39-18修正案中，并从2020年1月1日开始强制执行。具体安全运输要求如下：

( 一 ) 分类

划分为UN 3536条目的货物属于第9类杂类危险物质和物品，正确运输名称为“安装在货物运输组件中的锂电池，锂离子电池或锂金属电池”。具体条目见表1。

表1 安装在货物运输组件中的锂电池运输条目

该条目仅适用于安装在货物运输组件中的锂离子电池组或者锂金属电池组，并且该系统仅设计用于向货物运输组件外部提供动力。其中，货物运输组件在规则中被定义为公路罐车或货车、铁路罐车或货车、多式联运货集装箱或可移动罐柜或多单位气体容器 ( MEGC )。而货物集装箱又被明确为具有永久特性，且足够坚固适合重复使用的运输设备。该设备经特殊设计便于用一种或多种运输方式运输货物而无须中间倒装，设计上能够被系固和/或便于作业，且为此配有附件，该设备应依据经修正的《1972年国际集装箱安全公约》予以批准。

货物运输组件中的锂电池应满足《国际海运危险货物规则》中2.9.4.1至2.9.4.7的规定，且有必要的系统来阻止电池组之间的过度充电和过度放电；电池应牢固地连接在货物运输组件的内部结构中 ( 例如置于架子或柜子中 ) 以防止货物运输组件在意外冲击、装载、运输中发生振动的情况下，电池发生短路、意外操作或显著位移。

对于货物运输组件中安全操作所必需的危险货物 ( 如灭火系统和空调系统 )，规则要求可以不按照危险货物运输，但必须妥善地系固或安装在货物运输组件中；其他非必需的危险货物，则禁止在货物运输组件内运输。

( 二 ) 标志和标记

货物运输组件中的锂电池不需要粘贴相应的标记和标志，但货物运输组件上应按照要求粘贴UN 3536联合国编号和第9类标牌。其中，标牌最小尺寸为25 cm × 25 cm，并贴在底色与货物运输组件本身颜色对比鲜明的位置。如果对比颜色不够鲜明，标牌最外边还应画上虚线或实线边框。

( 三 ) 积载和隔离

船舶运输时应满足积载A的要求且无隔离要求，也就是说舱内和舱面均可以积载。

( 四 ) 火灾和溢漏措施

火灾应急措施表F-A要求，当货物运输组件舱面着火时，尽可能用多个水龙喷雾；舱内着火时，停止通风并关闭舱盖，使用货物处所固定的灭火系统。如不可能，则用大量的水喷雾。溢漏应急措施表S-I ( 易燃固体 ) 要求，穿戴适当的防护服和自给式呼吸器，避免火源，穿戴防火软底鞋。对于舱面溢漏情况，可用大量的水将溢漏物冲洗下船。

五、水路安全运输存在的问题及合规建议

( 一 ) 相似产品混淆导致运输分类不准确

随着行业快速发展，各种迎合市场需求的储能系统层出不穷，大小、构造差异较大，因此在运输之前对这些货物准确分类是确保其安全运输的前提。根据《国际海运危险货物规则》UN 3536条目的分类要求，并不是所有装载了锂电池的“大外壳”产品都可以被定义为UN 3536，特别是与该产品相似的大型设备和柜式锂电储能系统，这三种产品的具体差异见表2。

表2 容易混淆的相似产品的特征和分类

总体来说，可以划分到UN 3536的集装箱锂电储能系统应具备以下几个特征：一是要具备集成化储能产品的特点，锂电池是产品的主体部分，其他系统均为锂电池系统的辅助设备。二是该产品仅设计用于向集装箱外部提供动力。三是装载锂电池的外壳应为《国际海运危险货物规则》定义的集装箱，具备集装箱的特征，满足《1972年国际集装箱安全公约》的要求。因此，运输前应把握好储能系统关键特征的识别，做好货物的准确分类，避免相似产品混淆。

( 二 ) UN 38.3报告不规范导致电池安全无法得到保障

《国际海运危险货物规则》要求在运输前锂电池单体和电池组均要通过联合国《试验和标准手册》UN 38.3相关的测试要求，否则不允许海运。由于不同型号的储能系统具有不同的电池层级结构，因此相应的UN 38.3测试项目也不尽相同。然而，在实际运输过程中，部分托运人提供的锂电池的UN 38.3报告极不规范，存在测试项目不完整、方法不正确等问题，给锂电池运输带来严重的安全隐患。因此，运输前应按照规则2.9.4的要求，针对集装箱锂电储能系统不同的电池层级结构提供完整的UN38.3测试报告以及相关试验概要，具体的UN 38.3测试项目和要求见表3。

表3 集装箱锂电储能系统不同电池层级结构的检测项目及要求

( 三 ) 使用不合规的箱体导致保护强度不足

集装箱作为该产品的重要组成部分，坚固、耐碰撞的箱体是防止电池在运输过程中被挤压变形引起电池内部短路发生热失控的关键。集装箱的安全合格铭牌或牌照就是安全合格证，表明该箱已经根据《1972年国际集装箱安全公约》《集装箱法定检验技术规则》进行了检验和批准，满足安全性能要求。然而，部分生产企业为了降低成本，购买二手集装箱自行改造后使用，导致箱体结构发生改变。加装的金属支架或柜体采用铆接、栓接或焊接等方式固定在集装箱内部，极易造成箱体破点、应力和强度不足等问题。因此，对于这一类改造后的集装箱应重新检验，并在合格铭牌或牌照上标识。

同时，由于部分生产企业在产品设计研发阶段没有充分考虑内装锂电池和辅助系统与集装箱尺寸和质量的匹配，导致集装箱超重、超大、超高以及重心严重偏离等问题，给装卸作业和船舶安全运输带来极大的安全隐患。

( 四 ) 操作不规范导致固定效果无法保证

作为产品集成的一道工序，生产商负责统一将锂电池、灭火系统、空调系统等装入并固定到集装箱的内部。为防止集装箱在意外冲击、装载、运输中发生显著位移的情况下产生安全隐患，规则只是原则性要求牢固地固定，并无明确的标准。因此，导致部分产品的锂电池和辅助系统在集装箱内的固定方法不规范，效果参差不齐，安全无法得到保证。为确保锂电池和辅助系统在集装箱内被牢固固定，建议可由货主提供有效证明文件或引入第三方 ( 例如检验机构或装箱检查员 ) 验证的方式证明满足要求。

( 五 ) 积载隔离要求偏低导致安全隐患

锂电池在0~40 ℃的环境下比较稳定，但当长时间处于过高温 ( 超过40 ℃ ) 环境时，电池的电解液及活性物质的活性增大，内部会发生副反应并分解电解液，产生安全问题。规则虽然对该产品的积载和隔离没有要求，但考虑到锂电池潜在的安全隐患，在船上积载时，建议尽量避开热源和船上生活处所。2023年9月国际海事组织 ( IMO ) 货物和集装箱运输分委会 ( CCC ) 第9次会议将UN 3536 ( 安装在货物运输组件中的锂电池，锂离子电池或锂金属电池 ) 条目的积载类代码由“积载类A”修改为“积载类D”，新增积载代码SW1 ( 远离热源 ) 和SW2 ( 避开生活处所 )，这些变化将被写入IMDG规则42-24版修正案草案。

同时，电池的荷电状态 ( SOC ) 较高时会导致正负极材料的反应活性升高和热稳定性下降。因此建议在运输时将储能系统的锂电池SOC值控制在30%~40%。同时，电池模组间还应采取有效措施断开连接，防止造成高压环境。

六、结语

2023年，我国标准化管理委员会、国家能源局共同制定了《新型储能标准体系建设指南》，从产品基础通用、规划设计、设备试验、施工验收、检测监测、运行维护、安全应急等七个领域确定了205个标准，但涉及安全运输领域的标准存在空白，直接影响储能产业健康和快速发展。目前，虽然国际公约规则的修订为集装箱锂电储能系统的运输带来了利好，但是现有相关条目条款的要求相对宽泛，在具体实践过程中的指导性不强，导致运输过程极不规范，存在一定的安全隐患。因此，后续应在现有研究的基础上，积极推动国际运输规则修订和我国相关标准的制定工作，更好地促进货物运输便利化，服务产业高质量发展。

参考文献：

[1] 邓啟熙.锂离子电池储能系统安全技术发展现状[J].中外能源,2022(11):93-99.

[2] 喻航,张英,徐超航,等.锂电储能系统热失控防控技术研究进展[J].储能科学与技术,2022(8):2653-2663.

[3] 严南培.新能源汽车火灾特点及处置对策分析[J].消防界(电子版),2019(14):40.

[4] 杨创,冯键,郑雨龙,等.锂离子电池储能系统火灾抑制方法[J].船电技术,2022(10):156-158.

作者简介：

罗薇，辽宁海事局大连危险货物运输研究中心，研究室主任，高级工程师。

林燕，辽宁海事局大连危险货物运输研究中心，一级主任科员。

吉海龙，辽宁海事局大连危险货物运输研究中心，二级主任科员。

陶佳慧，辽宁海事局大连危险货物运输研究中心，四级主任科员。

张春龙，辽宁海事局大连危险货物运输研究中心，副主任，高级工程师。

傅志超，大连海事局甘井子海事处，副处长。