1. 서 론

현재 국내 전기에너지저장장치(ESS; Electrical energy Storage System)는 리튬이온배터리를 중심으로 2015년도부터 기하급수적으로 증가하여 2021년 기준 약 9,852MWh(사업장 2,692개소) 설치되어 운영 중이다⁽¹⁾. 전기에너지저장장치의 가파른 성장은 에너지 전환의 완충재 역할을 하였으나 시스템, 환경, 내부제어 미숙 등으로 화재가 이어지면서 산업이 침체되는 위기를 맞이하였다. 국내 리튬이온배터리 기반 ESS 화재(2022년 10월 기준)는 재생에너지 연계용 29건, 피크저감용 7건, 주파수 조정용 2건 등 국내에서 총 38건이 발생하였으며, 화재손실 비용, 안전 재건비용 등 막대한 손실을 초래하였다⁽²⁾. ESS의 특성상, 배터리, 시스템, 환경 등 다양한 분야 전문가가 참여하는 워킹그룹회의와 2,700여개소의 ESS에 대한 현장조사, 실증 등을 통해 안전한 사용을 권고 또는 규정하였다^(3,4,5). ESS의 취약점을 확인한 사항에 의하면, 배터리실 자체의 온도와 습도 환경에 의한 영향, 배터리 또는 시스템을 보호하기 위한 안전장치의 미흡, 데이터 관리에 대한 문제점, 배터리 검토 미흡 등이 확인되었으며, 특히, 에너지의 공급과 소비과정에서의 상호 협조체계가 원활하지 않았던 것으로 파악되었다⁽⁶⁾. 또한 전력변환과정에서 나타나는 공통모드전압과 전류의 영향을 분석하여 장기 열화에 대응할 필요가 있는 것으로 파악된다^(7,8,9).

본 논문에서는 국내 리튬이온배터리 기반 ESS의 취약점을 분석하고, 이에 대응하는 ESS 실시간 모니터링 시스템 기반 안전성 평가 요소와 기술을 제안한다.

2. 리튬이온배터리 기반 ESS 취약점에 대한 현장조사

국내에서 발생된 리튬이온배터리 기반 ESS의 화재에 대한 전수조사를 실시하였다. 이를 통해 2017년 8월부터 현재까지 조사된 38건의 화재 데이터를 분석하여 공통적으로 나타나는 문제점과 화재 가능성을 검토하였다⁽³⁾.

그림 1 전기에너지저장장치 설치시기와 화재 상관성

Fig. 1 The correlation between installation time of ESS and fire

화재 발생 초기에는 현장에 설치되는 리튬이온배터리 기반 ESS가 많았으나 화재가 연속적으로 발생하면서 현장에 설치되는 장치도 주춤하게 되었으며, 안전조치 이후 추가적인 화재가 발생하면서 산업 전반이 침체기에 들어서게 되었다. 이는 설비 불안정성이 산업발전을 저해하는 중요한 요소로 작용할 수 있다는 근거가 된다. 국내 ESS 화재(2017년 8월 ~ 2022년 10월)에 대한 총 38건의 용량특성을 보면, 평균 1MWh 정도로 확인되며, 2건을 제외하고는 전소된 특징을 가진다. 일반적으로 배터리 화재는 외부에서 전이되거나 내부에서 화재가 진전되면, 짧은 시간안에 열폭주가 진행되며, 제어 불능인 상태가 지속된다. 배터리실 내부 화재확산 속도는 매우 빠르고 화재발생시 온도가 높아 배터리실 소화약제로는 진압이 불가하다.

그림 2 화재 발생 전기에너지저장장치의 용량 비교

Fig. 2 The comparison of capacity of ESS in fire

리튬이온배터리 기반 ESS의 화재사고를 조사하는 과정에서 화재발생 직전의 SOC(충전상태, State of Charge)를 조사한 결과에 의하면, 설치된 방치상태에서 발생한 화재를 제외하고는 대부분 SOC를 95%에서 100%에서 사용되었으며, 안전조치를 실시한 이후 90%를 유지하는 동안에 화재 역시 10건이 발생하였다. 다수의 공통적 특징은 휴지기에서 방전상태가 되는 시점으로 파악하였다.

그림 3 화재발생 직전 전기에너지저장장치의 SOC 비교

Fig. 3 The comparison of SOC of ESS on the brink of fire

외부 환경에 대한 영향을 조사한 자료에 의하면, 배터리실 자체 온도와 습도관리는 화재 이후 매우 안정적으로 관리되고는 있으나 1월과 5월, 9월에 화재가 집중되는 특징을 확인하였다. 다만, 이러한 자료의 명확한 분석이 요구된다. 배터리는 배터리 자체의 온도, 배터리실, 외기 등의 온도편차나 습도 영향에 민감하기 때문에 이러한 영향을 받을 수 있는 국내 계절 환경과 만나 배터리에 영향을 미쳤을 가능성에 대해서도 검토가 필요하다. 또한 최근 발생한 전기에너지저장장치의 화재 특징은 생산년도와 사용시기가 유사하다는 것을 확인하였다. 즉, 리튬이온배터리 기반 ESS 화재는 환경적인 원인과 더불어 배터리 자체의 영향, 운영상의 문제점 등 복합적인 부분이 많았다고 판단되며, 설치에서부터 운영(관리)까지의 종합적인 전기안전에 대한 규정 검토가 요구된다.

그림 4 월별 화재건수 분석

Fig. 4 The comparison of monthly fire

그림 5 화재 발생된 전기에너지저장장치의 사용기간별 비교

Fig. 5 The comparison of fire-generated ess by period of use

3. 전기에너지저장장치의 실시간 모니터링 시스템 개발

본 논문에서는 국내 ESS 화재 조사 활동 결과를 종합적으로 분석하여, ESS 통합제어와 보호시스템 미흡에 대한 해결 일환으로 ESS의 실시간 모니터링 시스템과 안전성 평가 실증기술에 대해 기술한다. 주요 실증설비는 ESS 모니터링 시스템(서버, 관제실), 450kWh 리튬이온배터리 2기와 250kW 전력변환시스템 2기이며, 구성은 <그림 6>과 같다.

특히 리튬이온배터리(A2)는 <그림 7>과 같이 총 900kWh(450kWh x 2기) 규모로 설치되어있으며, 1기는 실제 사업장의 환경적 취약성이 반영된 배터리실을 제작하고, 다른 1기는 실시간 모니터링 기능이 탑재된 안전강화형 배터리실을 설계하고 구축하였다. 안전강화형 배터리실의 주요 특징은 배터리 모듈별 내부저항 측정 시스템과 배터리, 전력변환장치, 온습도 환경의 정보를 외벽에서 확인 할 수 있는 모니터링 시스템이 설치되어 비정상 상태에 대한 알림 기능이 있으며 <그림 8>과 같다.

그림 6 ESS 실시간 모니터링 실증설비 개요

Fig. 6 The overview of demonstration facilities for real-time ESS monitoring

그림 7 450kWh Li-배터리실 2기

Fig. 7 2 sets of 450kWh Li-battery based room

그림 8 안전강화형 배터리실 개념

Fig. 8 The concept of safety enhanced battery room

4. 전기에너지저장장치의 실시간 모니터링 시스템 실증

450kWh 배터리 2기에 대한 실증 방법은 100kVA 변압기를 기준으로 250kW 전력변환시스템 2기를 백투백으로 연계하여 ESS의 EMS 제어에 따라 상시 상호 충·방전 스케쥴링(전력페어링 시스템)에 따라 운용한다. 이러한 실증은 배터리 가속운전으로 24시간 충·방전 사이클 제어를 통해 배터리 기대수명을 계산할 수 있다. 본 논문의 실증 방법을 도식화하면 <그림 10>과 같다. 실증 과정에서 전력변환시스템(PCS #2)의 셧다운 현상(DC OVR, AIP, IPM, OV 고장)이 발생하였다. 이러한 현상의 원인 파악을 위해, 배터리의 BMS 로그데이터를 분석한 결과 충전시 불규칙한 셀 발란싱 작동 기록을 확인하였고 이는 <그림 11>과 같다. 본 현상은 PCS에서 AC/DC 변환 과정에서 발생된 노이즈 현상과 PCS 내부소자의 절연불량에서 기인된 것으로 추정하였고, 현재 해당 PCS는 리콜되어 재제작 중이다.

그림 10 ESS 가속운전을 위한 실증 방법

Fig. 10 The demonstration method for ESS accelerated operation

그림 11 PCS 셧다운 현상시 BMS 데이터 분석

Fig. 11 Anlysis of BMS data during PCS shutdown

5. 결 론

본 논문은 국내 리튬이온배터리 기반 ESS 화재사고에 대한 전수 조사내용과 안전대책을 종합적으로 정리하고, 화재예방과 화재피해 최소화를 위한 솔루션 중 하나인 ESS 실시간 모니터링 기술에 대해 기술하였다. 여기서 ESS 실시간 모니터링 요소는 국내 환경에 적합하게 기술기준을 분석하여 도출하였고, 현재 한국전기안전공사에서 운영 중인 ESS 안전정보시스템(전국 ESS 사업장 약 2,500개소의 1시간 단위 SOC 모니터링 시스템)의 데이터 정의서로 활용 중이다. 또한 ESS의 가속운전을 위한 실증 기술은 배터리 과도현상에 대한 데이터를 확보 할 수 있고, 정상상태 운영 데이터 비교를 통해 보다 명확한 ESS 진단기준을 도출 할 수 있다. 향후연구로는 전국(약 2,700개소) ESS 사업장의 관제를 위한 데이터 관리의 최적화 기술이 요구되며, 더 나아가 ESS 가속시험 알고리즘을 응용한 ESS 시스템 차원의 안전성 평가 기술 정립이 요구된다.