ESS(Energy Storage System) 화재 원인과 대책
▶ESS(Energy Storage System)
생산된 전기를 저장장치(배터리)에 저장했다가 전력이 필요할 때 공급하여 에너지 효율을 높이는 시스템
▶현황
2018년도에 ESS(Energy Storage System)장치에서 발생한 화재는 15건이나 발생을 했습니다. 2019년 1월에는 울산 D산업가스 ESS 저장시설에서 화재가 발생하였는데요 화재구역 근처에 액화산소탱크가 있어 대형사고로 이어질뻔 하였으나 소방서에서 안전하게 진압하였습니다.
2018년도 하반기 잦은 ESS 화재사고로 인하여 정부에서는 안전진단을 받지 않은 시설에 대해서는 사용중지를 권고하고 나섰습니다. 최근에는 안전상의 이유로 허가가 어렵다고 합니다.
2차전지는 대한민국의 차세대 성장산업입니다. ESS의 화재와 관계된 의문을 조속히 해결하고 안전성이 보장된 ESS 산업을 키워나가야 할 것입니다. 안전성이 보장되지 않은 설비는 분명히 도태 될 것입니다.
ESS 사고 이력
▶ESS 장치의 개요
<용어>
▷BMS(Battary Management System) : 배터리 상태를 모니터링하여 최적의 조건에서 유지, 사용할 수 있도록 하는 시스템
▷PMS(Power Management System) : 에너지저장장치를 효율적이고 경제적으로 운영할 수 있도록 제어하는 시스템
▷BPU(Battery Protection Unit) : 베터리 보호 장치
▷PCS(Power Conversion System) : ESS 시스템 내에서 전력을 입력받아 배터리(축전지)에 저장하거나 계통방출하기 위해 전기의 특성 (주파수, 전압, AC/DC)을 변환해주는 시스템입니다PCS 전력변환장치
▷SOC(State of Charge) : 베터리의 잔존 용량을 표시하는 척도
▷SOH(State of Health) : 베터리의 이상적인 상태와 현재 베터리의 상태를 비교하여 나타낸 성능지수
▶리튬이온배터리에 관하여
☞구성 : 양극, 음극, 전해질
☞원리 : (방전) 음극 → 양극으로 이동 (충전) 양극 → 음극으로 환원
☞전해질 : LiCoO2(코발트산리튬), LiNiO2(니켈산리튬), LiMn2O4(스피넬형리튬망간산화물), LiFePO4(인산철리튬)
*액체 전해질은 리튬염을 유기 용매에 용해시킨 것으로 현재 생산되는 리튬이온전지의 대부분은 유기 전해액을 사용하고 있다. 액체 전해질은 증기압이 높기 때문에 사용 온도가 제한되고, 가연성을 나타내는 것이 대부분이다!
*고체 고분자 전해질은 분자 내에 극성기를 가진 고분자에 리튬염을 용해시켜 제조한 것으로 아직 까지는 상온에서 이온 전도도가 낮아 실제 전지에 적용된 사례가 적다.
*이온성 액체란 이온만으로 구성되는 액체 상태의염을 의미하며 특히 상온에서 액체 상태로 존재하는 염을 상온 이온성 액체라 한다. 이온성 액체의 특징으로는 넓은 온도 영역에서 액체이고 증기압이 낮다. 난연성이며 내열특성이 우수하다. 화학적으로 안정하다. 극성 및 이온 전도도가 높다.
▶리튬이온 배터리의 열폭주(Cell thermal runaway) 현상
온도상승이 역학적 과정에 의해 에너지 방출을 증가 시켜 온도상승을 더욱 가속화시키는 양성 피드백 형상☞리튬이온 배터리는 230℃이상에서는 점화원 없이도 자연발화가 가능함
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리튬이온베터리(셀)의 연소 반응실험 |
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98℃ 셀에 10분간 가열하면 |
리튬이온 배터리 팩이 부풀면서 전해액 가스화 → 냉각시키면 화재발생하지 않음 |
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15분간 계속 가열하여 180℃가 되면 |
열폭주(Cell thermal runaway) 현상이 일어나 화염이 터져 나온다 |
▶화재 원인 (전문가와 업계측 의견)
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시공 불량 (부실시공) |
*부실 공사로 결로·누수 현상이 발생→화재원인 |
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설치 작업자 부주의 |
*배터리에 물리적 충격→배터리 셀 구조 변화 (내부 분리막역할 상실)→손상이 있는데도 무리하게 설치→베터리에서 열 발생→화재 |
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필수 보호장치 누락 |
*갑작스럽게 유입되는 고압 전기로부터 ESS 설비를 보호하는 배터리와 전력변환장치(PCS) 사이에 위치하는 서지 어레스트를 장착하지 않아 배터리에 필요 이상 강한 전류가 흐를때 제어가 되지 않아 열폭주 현상이 발생함(2018년 이전에 설치된 일부 ESS에서 발견되는 문제점) |
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BMS 결함 |
*배터리관리시스템(BMS) 자체 결함으로 화재 *BMS는 ESS에 전기가 과도하게 충전되거나 열이 발생하면 사전에 파악해 각종 장치를 제어하거나 보호하는 역할을 함. 즉 ESS 과충전 시 더 이상 충전을 하지 않도록 중단하거나 일정량 전기를 사용하게 해야 하는데 자체 결함으로 높은 배터리 충전상태를 유지하다 보니 ESS가 과열에 의한 화재가 발생한다는 의견 |
▶대책
1. 성능보다는 안정성에 의한 설계
전기에너지의 축적 기간이 긴 ESS 특성을 고려해 배터리 안정성에 초점을 둔 설계가 필요하다라는 의견이 많다. 화재는 삼성SDI와 LG화학 등 배터리 제조사를 가리지 않고 발생한 만큼 이러한 제어 관리 시스템 개선이 필요하다. 기본적으로 ESS는 전기 에너지의 효율적인 사용에 목적을 둔 설비인데요 안정성을 고려한 설계가 보완이 되면 그만큼 효율이 떨어지고 경쟁력이 약화될 것이 눈보듯 뻔합니다. 양면성을 잘 고려하여 개선이 되어야 하겠습니다.
2. 소방시설의 강화
*태양광과 ESS가 결합된 형태의 발전소인 융합형 모델에 대한 소방, 안전 등의 국가적 차원의 기준이 미비한 상태이므로 소방안전에 대한 기준의 정립이 필요합니다.
*ESS가 컨테이너에 설치된 경우가 많지만 특정소방대상물로 지정되지 않아 자동소화설비 설치를 강제할 수 없는 실정이 가장 큰 문제점이다. 면적기준 또는 전기용량 규모별 소방시설의 기준이 필요해 보인다.
*ESS 관련 사고조사서를 분석한 결과 시설 내 설치된 가스계 소화설비는 작동했지만, 화재를 진압하진 못했다는 결과가 많다. 리튬이온 배터리 모듈의 구조적인 문제이다. 배터리 셀이 팩에 밀집돼 모듈로 만들어 지는데, 모듈은 금속재질의 커버로 덮여 있어 가스계소화약제가 방사되어도 팩 내부에 침투하지 못하므로 열폭주에 의한 화재를 제어하기에는 어려움이 따른다. 무용지물 이다. 즉 리튬이온베터리의 열폭주에 의한 화재시에 가스계소화설비의 효력에 대해 되짚어 볼 필요가 있다.
*ESS 초기 화재에는 고체 에어로졸로 진화하는 것을 권장하고 있으며, 리튬이온 배터리 화재는 독성가스 방출과 동시에 열 폭주 반응으로 연쇄 폭발이 일어나 화염이 최대 1100℃에 이를 만큼 매우 강해 적은 양의 물로는 소화가 불가능하다. 높은 압력 보다는 다량의 수계소화설비가 효과적이다.
*열폭주 확산을 방지할 수 있는 구조기준과 모듈간의 적절한 이격거리에 대한 기준도 필요하다. 건축물 구조적인 특성에 따라 최대 전기용량 기준을 제시해야 한다. ESS 건축물에 대한 불연성과 재질에 관한 기준도 필요하다. 열폭주에 의해 진압이 불가능해 지면 2~8시간동안 화염에 휩싸이고 건축물이 붕괴될 수도 있다.
3. 위험물법 개정 필요
알킬리튬 지정수량 10kg이상 인허가 대상이되는데, 전해액인 경우는 해당이 되지 않도록 규정하고 있다. 관련 법령도 재검토가 필요해 보인다. ESS 화재는 단순한 전기 화재가 아니다. 소방법 관점에서 아직도 전기실로 보고 있다. 위험물과 전기실의 관점을 잘 고려하여 관련 법령의 손 볼 필요가 있다.
4. 외부온도의 영향
ESS 관련 화재사고조사 내용을 보면 하절기에 화재 발생 빈도가 높은데 외부기온에 의한 영향도 있는 것으로 보인다. 건축물 내부의 열의 배출과 관계가 분명히 있으므로 열의 축적과 건축물의 복사열을 고려한 건축물 기준마련도 필요해 보인다.
-전기안전공사-
-update ESS 안전강화 대책 참고자료 (2019.06, 관계부처 합동)
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