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[전문가 기고] ESS 화재 원인과 대책

정대원 호남대학교 전기공학과 교수 | 기사입력 2019/12/26 [10:32]

[전문가 기고] ESS 화재 원인과 대책

정대원 호남대학교 전기공학과 교수 | 입력 : 2019/12/26 [10:32]

▲ 정대원 호남대학교 전기공학과 교수

최근 잇따른 전기에너지저장장치(ESS, Energy Storage System) 화재로 정부와 관련 산업계는 해결방안을 찾기 위한 노력을 경주하고 있다.

 

무엇보다 정부의 신재생에너지 정책과 맞물려 돌아가던 ESS 설비에 대한 신뢰 하락과 화재 발생에 대한 추가 우려가 확산하면서 소방청에서는 관련 시설과 설비에 대한 소방안전관리 대책을 강구하고 있는 것으로 알려졌다.


ESS는 태양광, 풍력 등과 같은 신재생에너지원과 연계ㆍ운영하거나 심야시간 잉여 전력 에너지를 일시적으로 저장했다가 전력수요가 급격히 증가할 때 공급하는 전력 시스템 설비로써 중소형 발전소를 대체할 새로운 분산 전력 에너지자원의 역할을 담당한다.


국내 ESS 설치용량은 2013년 30MWh에서 2016년 206MWh, 2017년 723MWh, 2018년 3천632MWh로 매년 수배씩 늘고 있고 ESS 설비 사업장 수는 지난해 기준 947개로 알려졌다. 국내 ESS 시장 규모는 지난해 기준 약 3.6GWh로 세계시장의 약 3분의 1을 차지한다.


이같이 승승장구하던 ESS 산업에 제동이 걸린 것은 2017년 8월 전북 고창의 ESS 설비에 불이 나면서다. 이 화재를 시작으로 2018년 5월부터 이듬해 5월까지 22건의 화재가 잇달아 발생했다.


ESS를 구성하는 핵심 저장 소자는 배터리다. 화재 사례를 살펴보면 배터리는 수만개의 셀이 랙 형태로 만들어져 밀집된 구조로 설치되는데 한 개 셀에서 비롯된 화재가 인접 셀 또는 모듈로 빠르게 확산하면서 배터리 랙 전체가 소실되는 특징을 보였다.


배터리 화재 발생 원인과 그 대책을 이해하기 위해서는 리튬이온 배터리의 구조와 화재 확산 메카니즘부터 잘 알아야 한다.

 

리튬이온 배터리 화재 원인은 배터리 셀의 물리적인 충돌과 부식 등으로 인해 양ㆍ음극이 접촉하는 단락 현상과 서지, 과전류, 과전압 등과 같은 전기적인 쇼크로 인한 내부 분리막 손상과 외부 열원에 의한 분리막 파손에서 비롯된다.


분리막 파손을 조기에 검출하는 수단으로 외부 전류를 차단해 화재를 예방할 수 있으나 이 방법이 실패할 경우 열 폭주로 이어지게 된다.

 

열 폭주가 발생하면 오프 가스 검출과 화염 검출 센서를 통해 조기에 급속냉각시키거나 효과가 높은 소화약제를 초기에 투입해 진압하는 방법으로 대형 화재로 이어지는 것을 예방할 수 있다.


모든 화재가 그렇듯 발화원을 재빨리 찾아 화재를 진압하는 방법이 가장 효과적이다. 배터리 화재 역시 조기에 발화원을 효과적으로 검출해 모듈 단위로 화재를 진압할 경우 대형 화재로 확산하는 것을 예방할 수 있다.


문제는 ESS 배터리 모듈의 경우 항온과 항습, 보호 등을 위해 금속 판넬로 제작된 외함(encloser)에 배터리 셀을 밀폐하는데 소화약제를 어떻게 효과적으로 발화원에 침투시키느냐다.

 

소화약제 종류에 따라 발화원에 침투시키는 방법 역시 다를 수 있기 때문에 현장 실증을 통해 침투 여부와 소화농도, 방출시간 등을 적절히 설계하는 게 무엇보다 중요하다.


부존자원이 부족한 우리나라 경제 상황에서 전력 시스템의 경제성과 신뢰성을 높이기 위해서는 리튬이온 배터리를 에너지원으로 사용하는 ESS 설비가 매우 중요하다.

 

더욱이 국내는 물론 세계시장에서도 앞으로 지속적인 확대가 예상되기 때문에 화재에 대비한 안전성과 신뢰성 확보는 무엇보다 중요하다 할 수 있겠다.

 

필자는 화재 원인과 소화방재 메카니즘을 잘 이해하고 이에 대응한 기술개발이 선행될 때 진보된 기술에 의해 ESS 화재는 반드시 잡을 수가 있다고 확신한다.

 

정대원 호남대학교 전기공학과 교수

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