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기고 ESS 안전 확보를 위한 실증 기반의 안전성 평가기술 개발

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작성자 댓글 0건 조회 2,198회 작성일 22-08-08 10:29

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그림 1. ESS의 구조(출처 : Energy-News, Sector Update) 


전세계적인 환경오염 악화와 신재생발전의 급속한 증가로 인한 전력계통 불안정 등을 해결하기 위해 새로이 등장한 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)산업은 비약적인 발전을 하고 있다. 특히 리튬이온배터리는 높은 에너지밀도와 우수한 충방전 성능으로 다양한 분야에 기하급수적으로 확대 적용되고 있다.


리튬이온배터리를 설치 운영하는 ESS가 증가함에 따라 '18년 이후 화재사고 또한 지속적으로 발생하였으며 국내에서도 30건 이상이 발생하였다. ESS 화재는 내외부적인 원인이 다양하게 존재하고 원인파악이 어려워 근본적인 원인 제거가 어려운 상황이다. 전기에너지를 저장하는 배터리의 화재는 배터리 내부에서 화재로 이어지는 열폭주가 발생하면 에너지가 완전히 소진될 때까지 소화가 어렵다. 배터리의 상태는 전기, 온도 등의 변화를 감지하여 운영하고 있으나 DNV-GL, NFPA, 외국의 대학 및 센서개발기업 등의 연구결과에서 화재발생 직전까지 전기와 온도 변화는 이를 방지할 수 있을 정도의 뚜렷한 변화를 보이지 않는 경우를 확인하였다. 


'18년 하반기부터 시작된 정부와 민간의 합동 현장조사와 '19년 상반기 산업부의 민간합동 화재사고 조사위원회, 한국전력공사와 전기안전공사의 화재사고 실증시험, '19년 하반기부터 현재까지 ESS의 안전한 재가동을 위해 산업부 주관 및 전기안전공사가 간사로 진행하고 있는 관련 협회와 한전 등이 참석하는 민간합동 안전관리위원회, '20년 상반기 2차 화재사고 조사위원회, 제작업체 및 시공업체 등의 다양한 화재방지 조치 등의 노력으로 대부분의 사업장이 재가동을 하게 되었으며 일부 사업장은 화재위험을 우려하여 운영을 포기하기도 하였다. 이러한 과정에서 제작업체와 시공업체 및 많은 전문가들이 다양한 대책들을 제시하였으며 신뢰성 및 경제성을 확보하기 위하여 다양한 실증을 수행하고 있다. 


산업부와 한국에너지기술평가원의 지원으로 한전(전력연구원 원장 이중호)이 주관하여 가스안전공사, 한국전기기술인협회, 한국산업기술시험원, 한국화학융합시험연구원, 인텍FA와 공동으로 “ESS 안전확보를 위한 실증기반의 안전성 평가지표 개발 및 시설기준 제정”('19.6~'21.11) 연구과제를 수행하였으며 최종결과에 대한 전문가들의 의견을 수렴하여 최종보고서를 5월에 정부에 제출하였다. 배터리 화재는 배터리실 내부에서 전소된 경우가 대부분이며 화재의 원인과 진압방법을 알 수 없었다. 본 과제에서는 이를 해결하고 실제로 적용이 가능한 대책을 마련하기 위하여 셀 단위부터 모듈, 랙, 시스템 단위까지 화재 메커니즘 규명, 화재 조기감지, 화재 방지, 화재 진압 방법 등의 기술을 개발하였다. 그 결과를 기반으로 안전성을 확보하는데 필요한 29가지 지표로 구성된 ESS 안전성 평가기술을 완성하고 전기설비 기술기준을 제정하였다. 개발한 기술은 셀, 모듈, 랙, 시스템 단위별로 설계, 제조, 운송, 설치, 운용 등 ESS 산업 전반에 안전성을 확보할 수 있는 내용으로 구성되어 있다.


본 고에서는 전반적인 연구개발 과정과 개발한 기술을 소개하고자 한다. 개발한 기술의 적용을 통해 국내외 전력계통 및 EV 등 다양한 분야에서 지속적으로 확대, 운용되고 있는 ESS 산업의 지속적인 발전과 더불어 탄소배출저감 및 친환경적인 전력산업 발전에 기여할 수 있기를 기대한다.


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, 랙, 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 감시운영하는 것이 가장 안전하나 현재는 모듈의 구조와 경제성을 고려하여 필요한 부분에서만 계측정보를 취득하고 있다. 


기술개발의 배경 및 필요성

리튬이온배터리를 설치운영하는 ESS는 국내뿐만 아니라 국외에서도 화재사고가 발생하고 있다. 국내에서는 지역, 용도, 설치위치 등 측면에서 다양하게 발생하고 있으며 국외에서도 일본, 미국, 벨기에, 중국, 오스트레일리아 등의 국가에서 발생하고 있다.


ESS의 화재사고에 대한 국내외 대응은 다음과 같다. 국내에서는 '18년 하반기부터 정부와 민간 합동으로 ESS가 설치된 현장의 안전성을 조사하였다. '19년 상반기에는 산업부 주관으로 민관합동 화재사고 조사위원회를 통하여 현장을 조사하고 관련된 시험과 검증을 수행하였으며 한국전력공사 고창 전력시험센터에서는 단락 및 지락으로 인한 화재사고 시험, 전기안전공사 정읍 실증센터에서는 온습도 등으로 인한 화재사고 시험을 수행하였다. '19년 하반기부터 현재까지 산업부 주관으로 전기안전공사, 한전, 관련 협회 등이 참석하는 민관합동 안전관리위원회가 ESS의 안전한 재가동을 위해 추진되었으며, 이후 '20년 상반기 2차 화재사고 조사위원회, 제작업체 및 시공업체 등의 다양한 화재방지 조치 등이 이뤄지고 있다. 


'20년 한전은 한국화학융합시험연구원과 MW급 ESS 이동형 성능시험장비를 개발하여 ESS 현장에서 실증을 수행하고 설비 신뢰성과 안정성을 확보할 수 있는 기반을 마련하였다. 

국외에서도 제품에 대한 화재확산 방지를 위한 개선 및 소화 관련 연구가 다양하게 진행되었다. '16년 노르웨이의 최대 선급협회인 DNV-GL에서는 배터리 화재방지를 위한 셀, 모듈 단위의 열폭주 시험을 진행하였고, 미국의 DOE는 폭발사고 예방을 위한 구조 개선 연구를 진행하였다. ESS 설치용량 확대에 따라 배터리 폭발에 따른 열 억제, 화재 시 발생하는 유독가스, 화재 진압 후 재점화 문제 등 포괄적인 규정을 마련하기 위한 일환으로 뉴욕주 소방당국과 에너지연구개발 당국이 주도하였다. 일본에서는 NaS 배터리 폭발사고를 겪으면서 폭발 예방을 위한 구조개선 연구를 진행하였다. 


이외에도 다양한 노력이 시도되고 있음에도 불구하고 화재사고가 지속적으로 발생함에 따라 기존의 온도 및 전기 기반의 ESS 배터리 감시체계와 기존의 수소 계열 가스 및 연기 기반 ESS 화재감지를 통한 화재방지방법을 개선하여 화재를 방지하거나 방지에 실패할 경우 화재발생 초기에 확산을 방지할 수 있는 소화방법 등을 개발할 필요성이 대두되었다. 기존의 이론적 기술을 기반으로 한 다양한 대책들이 마련되었으나 여전히 실증을 통한 대책마련이 시급하고 ESS 관련 업체들의 대책시행에 있어 경제성을 확보하기 위한 실증기반의 선별적 대책시행이 필요하게 되었다.


실증 시나리오 개발

실증 시나리오는 필요한 실증항목을 모두 포함하고 실용적인 결과를 도출하기 위해 <그림 2>와 같이 다양한 내용을 반영하여 개발하였다. 산업부 주관으로 다양한 전문가가 참여한 화재사고조사위원회 조사결과와 안전관리위원회 의견, 한전과 전기안전공사의 ESS 실증시험, 사용전검사를 수행하고 있는 전기안전공사와 전기설비기술기준을 운영하고 있는 대한전기협회 및 소방 관련 역무를 주관하고 있는 소방청 의견을 기반으로 실증 시나리오 초안을 마련하고 화재 메커니즘 규명을 위한 기본적인 실증시험을 수행한 결과를 반영하여 2차 초안을 마련한 후 산업부 협의 및 한국에너지기술평가원 전문가 세미나를 통해 시나리오를 수정보완해 나갔다. 이후 ESS의 다양한 제작사 전문가들의 의견 및 국내외 다양한 관련 기준과 보고서를 검토하여 반영함으로써 상세 실증시나리오를 마련하였다. 


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그림 2. 실증시나리오 개발과정 


실증시나리오는 <표 1>과 같이 총 32개 항목으로 되어 있으며 공통시험, 셀모듈 단위 시험, 랙시스템 단위 시험으로 구분되어 있다. 이러한 실증시나리오 및 국내 배터리 제작사의 협조로 확보한 리튬이온배터리를 이용하여 <그림 3>와 같이 연구기관의 인프라를 활용한 실증설비를 구축하였으며 <그림 4>와 같은 상세 시험계획을 수립하여 실증시험을 진행하였다.


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  표 1. 실증 시나리오 항목 

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그림 3. 실증설비 구축 

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그림 4. 상세 실증시험계획 수립 및 실증 수행
 


실증시험 결과를 기반으로 ESS를 화재로부터 보호하기 위한 화재 감지와 방지 및 소화에 대한 제어 시나리오를 <그림 5>과 같이 개발하였다. 화재 감지와 방지 및 소화에 관련된 계측신호와 조치를 위한 구동장치, 각 단계별 경보 등을 상호 연계 운영할 수 있도록 하였다. 개발한 제어 시나리오는 16회 이상 검증하였으며 화재 감지와 방지 및 소화를 통한 안전한 운영이 가능하다는 것을 확인하였다.


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그림 5. ESS 화재안전 확보를 위한 제어 시나리오 



...후략 


임건표 한국전력공사 전력연구원 신재생에너지연구소

본 기사는 2022년 8월호에 게재되었습니다. 


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