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기고 ESS의 화재발생 과정과 이를 방지하기 위한 계측기술 개발의 필요성

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작성자 댓글 0건 조회 3,550회 작성일 20-10-28 16:07

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그림 1. ESS의 구조

출처 : Energy-News, Sector Update 


ESS1)는 최근 전기요금 할인특례, REC ESS 보급 지원정책에 의해 ’17년부터 급격히 확대, 설치되고 있다. ’18년 국내 ESS 시장규모는 약 3.6GWh로서 세계시장의 30%를 차지하고 있으며 ‘18년까지 1,490개소의 사업장 수, 4,773MWh의 배터리가 설치되었고, ’20년 최근에는 사업장 수가 2,500여 개 정도로 급속히 증가하였다. 국내 ESS는 대부분 리튬이온 배터리를 사용하고 있으며 ’178월부터 발생한 화재사고로 인해 사업 및 운영에 큰 타격을 받고 있다. ’18년 하반기부터 시작된 정부와 민간의 합동 현장조사와 ’19년 상반기 산업부의 민간합동 화재사고 조사위원회, 한국전력공사와 전기안전공사의 화재사고 실증시험, ’19년 하반기부터 현재까지 진행되고 있는 산업부 주관 및 전기안전공사가 간사와 재가동을 위한 사용 전 검사를 수행하고 있으며, 관련 협회와 한전 등이 참석하는 민간합동 안전관리위원회, ’20년 상반기 2차 화재사고 조사위원회, 제작업체 및 시공업체 등의 다양한 화재방지 조치 등의 노력으로 상당수 사업장이 재가동을 하게 되었다. 이러한 과정에서 제작업체와 시공업체 및 많은 전문가들이 다양한 대책들을 제시하였으며 신뢰성과 경제성을 확보하기 위하여 다양한 실증을 수행하고 있다. 산업부와 에너지기술평가원의 지원으로 한전이 주관하여 가스안전공사, 한국전기기술인협회, 한국산업기술시험원, 한국화학융합시험연구원, 인텍FA와 수행하고 있는 정부과제 “ESS 안전 확보를 위한 실증기반의 안전성 평가지표 개발 및 시설기준 제정”(’19.6’21.11)에서는 다양한 실증을 통한 대책들의 검증과 안전성 평가기술을 개발 중에 있다. ESS의 화재사고를 방지하기 위해서는 제작, 설치, 설계, 안전성 평가, 성능시험, 시운전, 사용전 검사, 운영 등 다양한 방면의 노력이 필요하지만 우선적으로 배터리의 중요한 운영정보를 정밀하게 계측하고 이를 제작에 반영하여 운영할 수 있다면 근본적으로 화재를 방지할 수 있을 것이다. 본고에서는 배터리 화재가 시작되기까지 초기 과정에서 나타나는 현상들을 그간의 실증을 기반으로 소개하고 이를 감지하여 화재를 방지하기 위해 개발이 필요한 계측기술을 제시하고자 한다.

 

ESS의 구성

국내 ESS는 주로 리튬이온 배터리를 사용하고 있다. 국내기업이 리튬이온 배터리 제조기술을 가지고 있어 배터리를 제작하여 조달하기 쉽고 배터리 자체가 고속의 출력과 높은 에너지밀도 등 다양한 장점을 가지고 있기 때문이다. 리튬이온 배터리를 사용하고 있는 ESS 구조는 <그림 1>과 같다. 최소 단위인 셀부터 모듈, 트레이, 배터리운영시스템(BMS, Battery Management System), 스위치기어, , 뱅크, 배터리실 등으로 구성되어 있다. 배터리운영시스템은 배터리에서 측정한 전압, 전류 및 온도 등의 계측 데이터를 기반으로 배터리를 안전하고 효율적으로 운영하기 위한 목적을 가지고 있다. 제작사별로 계측 포인트 및 배터리운영시스템의 위치가 조금씩 차이가 있다. 모든 셀의 정보를 계측하여 감시 운영하는 것이 가장 안전하나 현재는 모듈의 구조와 경제성을 고려하여 필요한 부분에서만 계측정보를 취득하고 있다.

 

ESS화재 메커니즘 규명을 위한 실증시험

화재를 방지하기 위해서는 화재가 어떻게 발생하는지를 규명해야 한다. 화재원인은 다양하게 제시되고 있지만 그러한 이론적 원인들이 실제로 화재와 연관되어 있는지는 확실한 실증근거가 부족하다. 현재까지 발생한 화재의 경우 배터리가 컨테이너 내부에서 전소된 경우가 거의 대부분이므로 화재현장에서 화재원인을 밝혀내기란 거의 불가능하다. 따라서 배터리 화재를 재연하고 화재 원인으로 제시된 각 시나리오들이 실제로 화재 메커니즘의 시작점에 연계되어 진행되는지를 확인할 필요가 있다. 현재까지는 배터리 화재를 재연하고 인접 배터리로 화재가 확산되기 전에 화재를 진압하는 데까지는 성공하였다. 향후 다양하게 제시된 원인을 확인하는 실증을 진행하고 최종적으로는 실제로 화재가 발생하는지, 화재가 발생할 때 화재를 진압하고 확산을 방지할 수 있는지, 화재를 조기에 감지하여 방지할 수 있는지를 검증할 예정이다.


우선 몇 가지 실증시험을 소개하고 이러한 시험에서 경험한 계측 데이터의 변화와 현재 계측방법의 한계를 설명하고자 한다.

<그림 2>의 시험은 셀 3개를 병렬로 연결하고 셀 1개를 내부단락시켜 전류 쏠림에 의해 화재를 유도한 시험이다. 실제 이 시험은 셀 3개를 시험한 것이지만 실제 ESS 구조에서는 모듈 내부의 셀과 다수의 랙이 병렬로 연결되는 경우와 유사한 결과를 보여줄 것이다.


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그림 2. 병렬로 연결된 셀 3개 중 셀 1개 내부단락 시험



위 시험에서 내부단락을 유도한 셀 1개는 내부저항의 감소, 전극의 단락, 전류의 증가, 전해액의 온도상승, 전해액의 가스 및 연기 발생 등의 현상을 보여주었다. 위 시험은 ESS에서 병렬로 연결된 배터리의 일부가 여러 가지 원인으로 인해 열화가 진행될 경우 어떻게 되는지를 보여주고 있다. 이러한 과정에서 배터리 화재를 방지하기 위해서는 내부저항의 변화, 전류의 변화, 전해액의 온도변화, 전해액의 가스감지, 연기의 조기감지가 우선적으로 이뤄져야 하며, 이러한 감지를 통한 화재 판단이 이뤄지면 병렬구간을 어떻게 차단하여 각 배터리를 분리할 것인지를 해결할 수 있는 DC 차단기 또는 퓨즈 등의 차단장치를 필요로 하게 된다. AC는 영점 교차점에서 차단함으로써 폭발이나 화재를 회피할 수 있는 시점에서 용이하게 차단을 할 수 있지만 DC는 영점을 가지고 있지 않기 때문에 폭발이나 화재를 겪지 않고 차단하기 어려운 문제점을 안고 있다. 퓨즈는 이러한 시험을 통해 배터리마다 각기 다른 내부저항의 크기와 차단시점에 적합한 퓨즈를 선정해야 한다.


<그림 3><그림 4>는 각각 병렬로 연결된 셀 5개 중 1개 셀의 내부단락 시험과 병렬로 연결된 모듈 3개 중 1개 모듈 내부의 셀 일부의 내부단락 시험이다.


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그림 3. 병렬로 연결된 셀 5개 중 셀 1개 내부단락 시험



<그림 3>의 시험에서의 결과는 <그림 2>의 시험에서의 결과에 추가적으로 화재가 발생하고 셀 1개의 화재가 나머지 셀의 화재로 확산되었다. 이 경우는 수초 동안의 연기를 감지한 후 바로 화재로 이어졌는데, <그림 2>에서 다른 계측 데이터를 미리 감지 않고서는 연기 발생 이후 화재를 방지하거나 진압하기는 어려운 상황임을 확인할 수 있다.


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그림 4. 병렬로 연결된 모듈 3개 중 모듈 1개 내부 일부 셀의 내부단락 시험 



...후략 


임건표 / 한국전력공사 전력연구원 신재생에너지연구소

본 기사는 2020년 10월호에 게재되었습니다. 


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