김지연
(Ji-Yeon Kim)
†iD
최상재
(Sang-Jae Choi)
1iD
김재현
(Jae-Hyun Kim)
1iD
이건호
(Geon-Ho Lee)
1iD
정진수
(Jin-Soo Jung)
1iD
송길목
(Kil-Mok Shong)
1iD
-
(Dept. of Safety Research, Electrical Safety Research Institute, Korea Electrical Safety
Corporation, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Lithium ion battery, energy storage, accident cases, safety standards
1. 서 론
18세기 산업혁명 이후 인류에 의한 막대한 양의 온실가스 배출과 산림 훼손 등에 의하여 급격한 지구온난화가 진행되었고, 이에 따른 이상 고온, 이상
저온 등의 인류가 통제하기 어려운 기후 위기에 따른 대응이 필요한 시점이다. 이에 대응하기 위해 세계 주요 선도국가들이 에너지 전환 정책을 추진하고
있으나, 발전 부문의 연료 저탄소화, 수송 부문의 Mobility 청정화, 계통 유연성 자원 확보, 산업 및 건물 부문의 에너지효율 고도화, 수요측면에서
에너지 수요감축 등으로 대별된다. 발전 부문의 연료 저탄소화는 에너지 공급 측면의 전환정책의 핵심을 이루는 정책과제로 기존의 화석연료 기반의 전력생산
시스템을 비화석에너지(수력 및 원자력 등) 및 현대적 재생에너지(태양광, 풍력, 조력 등)원으로 전환하는 것이다. 따라서 세계 에너지시장 변화가 청정에너지로
전환이 가속화되고 있으며, 석유·가스 기업은 탄소중립 목표를 수립하고 재생에너지와 수소 등으로 사업을 확장하고 있다. 전력생산에 화석연료 소비가 급증하면서
자원 고갈뿐만 아니라 온실가스 배출 문제를 해결하기 위해 신재생에너지 발전 비중이 높아지고 있다. 하지만 신재생에너지는 지역 및 기후 특성에 따른
발전출력 예측의 어려움과 출력변동이 심하므로 전력계통 측에 전압 및 주파수변동과 같은 전력품질 유지가 어려운 단점이 있다. 이러한 전기 소비 환경의
변화, 전력부족에 대한 대안을 위해 에너지저장장치(ESS, Energy storage system) 보급이 확산되었다(1).
에너지저장장치는 저장하는 방식에 따라 IEC 62933-2-1에 의하면 양수발전, 압축공기저장장치, 플라이휠(Flywheels) 등을 이용하는 물리적
저장과 리튬이차전지, 납축전지, 흐름전지 등 전기화학적 저장 그리고 수소연료와 합성 천연가스를 사용하는 화학적 방식, 열 시스템과 초고용량 커패시터
같은 전기적 저장방식으로 분류된다. 과잉 생산된 에너지를 저장하였다가 필요한 시점에 사용하며, 높은 에너지 밀도와 출력, 장수명 등의 장점으로 리튬이차전지(LiB,
Lithium ion battery)가 널리 사용되고 있다(2-4).
LiB를 사용한 에너지 저장 기술은 발전소, 송배전시설, 가정, 공장, 기업 등에서 사용하며, 신재생에너지와 연계하여 사용하거나 정전 피해를 최소화하는
백업 전력으로도 사용하고 있다. 또한, 전기자동차의 구동용으로도 사용되고, 전기가 필요한 지역에 어디든 이동하여 대용량의 전력을 공급할 수 있도록
고정 형태가 아닌 이동식 비상용 발전기 형태로 활용하고 있다. 기존 이동식 디젤발전기 대비 친환경적인 점을 고려하여 국내에서는 여러 형태의 이동형
ESS에 대한 실증 특례 사업을 수행하고 있다.
에너지 저장기술에 대한 성능과 안전에 대한 논문은 Charlie Vartanian 등(5)과 Yuqing Chen 등(6)에서 코드, 표준 등 안전 고려사항을 제시하고 있고, 장홍제 등(7)은 일부 ESS 화재조사결과 기반 고장 원인에 대한 취약점을 분석하고, 주요 이슈에 대한 표준화 필요성을 제언하고 있다. 하지만 LiB가 적용된 에너지저장기술
사례를 분석하고 화재발생 위험이 높은 원인에 대한 구체적인 안전기준을 도출하는 연구 논문은 부족한 실정이다.
본 논문에서는 자료조사 뿐만 아니라 실제 LiB 에너지저장기술 사고사례 데이터 분석을 통해 추이를 확인하고 안전 항목을 도출하여 기준을 제안하고자
한다. 특히 LiB 기반 에너지저장 기술을 활용하고 있는 신재생 연계 중·대형 ESS와 데이터 센터 등 정전 등 비상시 부하 설비에 지속적인 전력을
공급할 수 있도록 사용되는 UPS에 사용되는 에너지 저장설비의 안전기준을 제안한다.
2. LiB 기반 에너지저장 기술 화재사고 추이 분석
LiB의 4대 소재는 흑연을 활성물질로 구성된 음극, LiFePO4, LiNi1-x-yCoxMnyO2, LiCoO2, LiMn2O4 등 리튬전이금속산화물로
층상이나 3차원 물질로 구성된 양극, 음극과 양극을 절연하고 있는 분리막과 리튬이온이 이동할 수 있도록 통로 역할을 하는 액상 유기물질로 구성되어
있다. 특히 전해액으로 사용되는 용매는 DEC(Diethylcarbonate), DMC(Dimethylcarbonate), EMC(Ethyl methylcarbonate)
등 카보네이트 계열 물질을 주로 사용하고 있으며, 이 물질은 인화점이 매우 낮은 특성을 가진다. 즉, 배터리 내부에는 화재의 3가지 요소인 연료(가연물),
열, 산소의 조건이 충족되면 언제든 화재가 발생할 수 있다(8-9).
LiB의 화재 발생 위험성으로 인해 많은 보호장치와 제어/감시 및 모니터링 기술이 설계와 운영에 필수적인 반영을 요구하고 있다. 그러나 LiB는 수많은
셀이 직병렬로 연결되어 있어, 하나의 셀에서 기인한 이상징후를 정밀하게 사전 진단하는 등 사고 원인을 파악하고 차단하는 기술은 한계가 있다. 화재가
발생할 수밖에 없는 구조를 가짐에도 불구하고, 높은 에너지밀도와 출력, 낮은 자기방전, 높은 충방전율, 장수명 등 우수한 성능으로 인해 사용이 증가하였고,
그에 따른 화재 사고도 급증하였다.
2.1 LiB 기반 ESS 화재사고 사례 분석
국내 설치된 LiB 기반 신재생연계 ESS 화재사고는 2017년 8월 전북 고창의 실증실험용 ESS 설비에서 처음으로 발생하여 2023년 10월까지
표 1과 같이 총 50건의 화재가 발생하였다. 화재원인 조사와 대책을 수립하기 위하여 2018년 12월 민관합동 ESS 화재사고 원인조사 위원회(1차 조사위)를
시작으로 ESS 화재사고 조사단(2차 조사단, 2019), 제3차 ESS화재원인 조사단(3차 조사단, 2021)을 추진하여 대책을 적용하였고, 현재
제4차 ESS화재원인 조사단(4차 조사단)이 구성되어 2022년 6월부터 화재원인 조사를 수행하고 있다. 1차 조사위에서 화재원인 조사 결과 배터리
보호시스템 미흡, 운영환경관리 미흡, 설치 부주의, ESS 통합제어 보호시스템 미흡 사항을 확인하였으며 제조, 설치, 운영관리, 소방기준을 도출하였고,
한국전기안전공사를 포함한 관계 기관이 긴급 안전진단을 수행하였다.
표 1 국내 ESS 화재발생 현황 (‘23.10월 기준)
Table 1 Domestic ESS fire occurrence status (as of Oct.2023)
|
순번
|
사고일자
|
지역
|
용도
|
비고
|
|
1
|
17년
|
08.02
|
고창
|
풍력
|
설치 중(보관)
|
|
2
|
18년
(16건)
|
05.02
|
경산
|
주파수
|
수리점검 중
|
|
3
|
06.02
|
영암
|
풍력
|
수리점검 중
|
|
4
|
06.15
|
군산
|
태양광
|
|
|
5
|
07.12
|
해남
|
태양광
|
|
|
6
|
07.21
|
거창
|
풍력
|
|
|
7
|
07.28
|
세종
|
피크저감
|
설치 중(시공)
|
|
8
|
09.01
|
영동
|
태양광
|
|
|
9
|
09.07
|
태안
|
태양광
|
설치 중(시공)
|
|
10
|
09.14
|
제주
|
태양광
|
충전 중
|
|
11
|
10.18
|
용인
|
주파수
|
수리점검 중
|
|
12
|
11.12
|
영주
|
태양광
|
|
|
13
|
11.12
|
천안
|
태양광
|
|
|
14
|
11.21
|
문경
|
태양광
|
|
|
15
|
11.21
|
거창
|
태양광
|
|
|
16
|
12.17
|
제천
|
피크저감
|
|
|
17
|
12.22
|
삼척
|
태양광
|
|
|
18
|
19년
(11건)
|
01.14
|
양산
|
피크저감
|
|
|
19
|
01.14
|
완도
|
태양광
|
충전 중
|
|
20
|
01.15
|
장수
|
태양광
|
|
|
21
|
01.21
|
울산
|
피크저감
|
|
|
22
|
05.04
|
칠곡
|
태양광
|
|
|
23
|
05.26
|
장수
|
태양광
|
|
|
24
|
08.30
|
예산
|
태양광
|
|
|
25
|
09.24
|
평창
|
풍력
|
|
|
26
|
09.29
|
군위
|
태양광
|
|
|
27
|
10.21
|
하동
|
태양광
|
|
|
28
|
10.27
|
김해
|
태양광
|
|
|
29
|
20년
(2건)
|
05.27
|
해남
|
태양광
|
|
|
30
|
09.03
|
음성
|
피크저감
|
|
|
31
|
21년
(2건)
|
03.11
|
영천
|
태양광
|
|
|
32
|
04.06
|
홍성
|
태양광
|
|
|
33
|
22년
(8건)
|
01.12
|
울산
|
피크저감
|
충전중
|
|
34
|
01.17
|
군위
|
태양광
|
|
|
35
|
05.01
|
익산
|
태양광
|
|
|
36
|
05.02
|
장성
|
태양광
|
|
|
37
|
09.06
|
인천
|
피크저감
|
|
|
38
|
09.06
|
서천
|
태양광
|
|
|
39
|
12.08
|
담양
|
태양광
|
|
|
40
|
12.27
|
영암
|
태양광
|
|
|
41
|
23년
(10건)
|
01.17
|
해남
|
태양광
|
|
|
42
|
02.08
|
신안
|
태양광
|
|
|
43
|
03.27
|
영광
|
태양광
|
|
|
44
|
04.07
|
칠곡
|
태양광
|
|
|
45
|
06.02
|
여수
|
태양광
|
|
|
46
|
06.10
|
순천
|
태양광
|
|
|
47
|
07.05
|
서천
|
태양광
|
|
|
48
|
08.17
|
오창
|
피크저감
|
|
|
49
|
08.23
|
울산
|
피크저감
|
|
|
50
|
09.25
|
창원
|
피크저감
|
|
*1-23: 1차조사위 조사대상, 24-28: 2차조사단 조사대상, 29-32: 3차조사단 조사대상, 33-50: 조사중
1차 조사위는 전반적인 취약점과 현장적용 사항에 대해 조사하였고, 현장에서 전소되는 등 남아있는 데이터가 거의 없어서 개별사이트의 원인조사는 이루어지지
않았다. 다만, CMV, 릴레이 절연파괴, 단락, 지락 등 화재검증 실험을 실시하여 유사성을 확인하였다. 1차 조사위 결과발표 이후 현장 안전이행조치를
안내하고 한국전기안전공사에서 결과를 확인하였다. 안전이행조치는 과전류, 과전압, 지락 등 전기적 이상 보호장치 설치, 비상정지장치 설치 및 관리자
경보시스템 구축, 온·습도 및 분진 등의 운영환경 관리, 배터리 과충전 방지 관련으로 이루어졌다.
1차 조사위 이후에 5건의 추가적인 화재 발생으로 인해 2차 조사단이 구성되어 현장조사 결과, 운영 데이터, 유사현장 배터리 정밀분석 등 데이터 중심으로
개별 사이트의 원인조사가 수행되었다. 조사결과 4건의 화재는 배터리 이상을 발화추정 원인으로 특정하였고, 1건은 DC 전로 지락에 의한 화재로 추정하였다.
1차와 2차 조사단에서 배터리 과충전과 관련된 충전율(SOC, State of charge)이 높으면 화재 발생 가능성이 높은 것으로 확인되어 제한하여
운영하는 대책을 제안하였다. 즉, 옥내 시설 ESS의 경우 SOC 80%이하로, 옥외 별도 전용건물에 시설하는 경우 SOC 90% 이하로 운영하도록
제안되었다. SOC 제한 운영 이후 2020년과 2021년에 화재가 급격히 감소하여, 화재사고 예방 대책에 대한 효과를 확인하였다. 3차 조사위에서
2020, 2021년 추가 발생한 4건의 화재조사 결과에서도 배터리 이상을 발화원인으로 추정하였으며, 조사과정에서 배터리 전극코팅 공정이상 기인 높은
충전율 운전에 대한 화재발생 위험성을 확인하였고, 배터리 내부 또는 외부에서 이상이 발생하였을 때 측정된 배터리관리시스템 데이터와 실제 사고현장의
배터리관리시스템 데이터와 비교하여 내부기인 데이터 패턴과 외부기인 데이터 패턴의 유사성을 확인하였다(10-16).
국내 ESS 화재사고 발생 50건의 사례 중심으로 위험도분석(Risk Priority Number, RPN)을 실시하였다. 화재사고 발생 추정 요인은
그림 1과 같이 서지(surge), 공통모드노이즈(Common Mode Noise), 지락(ground fault), 높은 충전율(overcharge 관련),
잔여 전하에 의한 기생 정전용량, 배터리 내부 단락(micro short)으로 선정하였다. 이외에도 다양한 추정 요인이 있으나 대부분 화재조사 과정에서
주로 다루었던 요인이다. 선정된 요인은 표 2와 같이 발생도(occurence), 심각도(severity), 검출도(detection)에 대한 평가를 1점에서 10점까지 점수를 산정하여, 3가지
평가요소를 곱한 값으로 RPN을 도출하였다. 점수가 낮을수록 발생도와 심각도는 낮고 검출이 잘 되는 것을 의미하며, 점수가 높을수록 발생도와 심각도는
높으며 검출이 잘 안되는 것을 의미한다.
그림 1 LiB-ESS 구성의 주요 화재사고 발생원인 추정
Fig. 1 Estimation of the primary cause of fire accidents in LiB-ESS configurations
표 2 LiB-ESS 화재사고 사례 기반 위험도(RPN) 산출
Table 2 RPN calculation based on LiB-ESS fire accident cases
|
추정 원인
|
평가 요소 및 점수산정
|
RPN
|
|
발생도
|
심각도
|
검출도
|
|
서지
|
4
|
5
|
2
|
40
|
|
공통모드노이즈
|
2
|
3
|
2
|
12
|
|
지락
|
6
|
7
|
5
|
210
|
|
높은 충전율
|
8
|
10
|
9
|
720
|
|
기생 정전용량
|
2
|
3
|
5
|
30
|
|
배터리 내부 단락
|
8
|
10
|
9
|
720
|
화재사고 사례 기반 위험도를 산출한 결과 AC측, PCS 기인, 배터리 내 잔류전하에 의한 사고 발생위험은 상대적으로 낮다. 지락은 배터리시스템,
DC전로, AC전로 등 발생 위치에 따라 심각도와 검출도가 다르며, 이물, 수분 등 환경이나 외부 요인에 의한 발생의 원인이 될 수 있어 위험도는
중상 정도로 판단된다. 높은 충전율과 배터리 내부단락에 의한 위험도는 높게 산출되었다. 즉, 배터리 기인 화재사고 발생 위험도가 가장 높다. 국내
발생 ESS 화재사고 50건 중 88% 이상 SOC에서 발생한 화재 건수는 42건으로 84%를 차지하고 있다. 개별 조사가 시작된 2, 3차조사위에서
배터리 내부 이상에 의한 내부 단락 발생을 대부분 화재 원인으로 추정하였고, 특히 전극코팅 공정이상은 높은 SOC 조건에서 화재발생 요인이 될 수
있는 상관관계를 확인하였다.
2.2 LiB 기반 UPS 화재사고 사례 분석
LiB 기반 에너지 저장 기술에서 최근 전세계적으로 데이터센터, 통신설비, 헬스케어 및 다양한 산업 분야에서 대용량, 고출력 UPS 사용이 급증하면서
우수한 성능과 효율로 인해 LiB를 축전지로 사용이 증가하고 있다. ESS와 사용 목적은 다르나, LiB 위험성에 대한 안전 확보 관점에서는 유사하게
관리되어야 한다(17). 또한 LiB 기반 UPS는 대부분 일반인이 출입하는 건물 내에 대용량으로 시설되고 있지만 검사대상 제외, 미흡한 제품안전인증 등 안전사각지대에
놓여있었다. 2022년 11월 8일에 한국전기설비규정이 개정되면서 안전 확보를 할 수 있는 대책이 마련되었다(18). 더욱 LiB 기반 UPS의 안전 이슈가 화두가 되었던 사례는 2022년 10월 15일 발생했던 카카오대란이며, 이 화재로 인해 장시간 서비스 정지
피해가 발생하였다. 즉, UPS는 사고발생 시 인명적 피해, 사회경제적 손실 등 대규모 피해를 유발한다. 소방청 국가화재정보시스템 통계에 의하면 최근
5년간 UPS와 축전지에서 발생한 전국 통계를 각각 분석하였다. 표 3과 그림 2와 같이 UPS의 화재사고는 연평균 15.6% 증가 추세이며, 배터리/축전지에서 발생한 화재사고는 82.5% 증가 추세를 나타내었다.
표 3 UPS와 축전지의 최근 5년간 화재사고 통계
Table 3 Fire Accident Statistics for UPS and Storage Batteries over the past 5 years
|
구분
|
전기설비
|
|
UPS
|
배터리/축전지
|
|
화재건수
|
59
|
612
|
|
사망
|
0
|
0
|
|
부상
|
2
|
29
|
|
인명피해 계
|
2
|
29
|
|
부동산피해(천원)
|
42,201
|
6,312,774
|
|
동산피해(천원)
|
252,846
|
31,352,959
|
|
재산피해(천원)
|
295,047
|
37,665,733
|
|
재산피해/건당(천원)
|
5,001
|
61,545
|
출처: 소방청 국가화재정보시스템(‘23.5.17 검색기준 5년 통계)
그림 2 UPS, 배터리/축전지의 최근 5년간 사고 연평균 추세
Fig. 2 Average annual trends in UPS and Batteries over the last 5 years
A데이터센터에서 발생한 LiB 기반 UPS 사고사례는 배터리 랙의 큰 폭발음과 불꽃을 확인하였고 배터리 보호 유닛에서 폭발한 것으로 추정하였다. 조사
결과, 배터리 전압편차 대응 기술이 반영되어있지 않았고, MCCB 정격미달, 배터리 기본 보호장치인 퓨즈 등이 설치되어 있지 않았다. B사례는 배터리
내부 화학적 반응에 의한 폭발로 전산실 화재 발생으로 재산피해가 발생하였다. C사례는 배터리 과열로 인해 연기 및 유독가스가 발생하였으며, 4개랙이
소실되고 서버가 다운되어 민원처리 서비스가 약 7시간 중단되었다. D데이터센터 사고사례는 LiB와 연결된 분전반에서 최초 발화된 것으로 추정되며 배터리로
화재가 확산되어 일부 통신장애가 발생하였다. 그 외 사례에서도 전기적 요인에 의한 배터리 모듈 소실, 통신구 화재로 유·무선 통신장애 발생, 방송중단사고,
관람객/승객 대피 등 민간에서 관공서까지 다양하게 피해가 잇따르고 있다.
3. LiB 기반 에너지 저장시설 관련 안전기준
3.1 LiB 기반 ESS 관련 안전기준
국내 ESS 안전은 관련 협회와 국가기술표준원, 한국전기안전공사 등 제품성능, 시설, 검사/진단을 표준 및 전기안전관리법 등 안전 법규에 따라 관리
및 운영하고 있다. 한국산업표준 또는 한국배터리산업협회의 단체표준에 준하는 배터리와 전력변환장치의 안전 및 성능 시험성적서를 필요로한다. 국외의 경우
소방과 관련한 ESS 안전 및 설치 기준이 주로 NFPA(National Fire Protection Association), UL(Underwriters
laboratories), IFC (International Fire Code)에서 규정하고 있다. LiB 기반 ESS의 안전성 시험항목으로 외부단락,
충돌, 고온, 과충전, 강제방전, 과충전전압제어, 과대충전전류제어, 과열제어 등 KS C IEC 62619에서 요구하고 있으며, IEC TC21에서는
지속적인 개정이 진행되고 있다. 특히 LiB 시스템의 절연시험, EMC 및 열폭주 시험방법 명확화를 통한 선택적 시험이 아닌 강제화 추진 등을 논의하고
있다. 그 외에도 배터리관리시스템 관련 안전성 요구사항 시험표준인 IEC 63056과 IEC TC120은 WG을 5개로 구성하여 ESS 응용분야 및
성능 시험을 위한 유닛 파라미터와 시험방법, 재생에너지원 통합 안전, 백업 전력 등 LiB 기반 ESS 안전 시험방법 관련 IEC 62933 시리즈의
표준개발이 진행되고 있다(19-23). 이와 같이 화재 확산방지 등 국외 기준을 일부 반영하였으나 규정이 미흡하였고, 실제 사이트의 안전관리와 유지보수 측면에서 구체적이고 명확한 내용이
반영되어있지 않아 국내외 자료조사와 화재사고 사례 분석 결과를 기반으로 화재사고 추정 원인에 대한 예방과 안전 확보를 위해 다음 표와 같이 안전기준을
개발하였다.
위험도 분석 결과 가장 높았던 높은 충전율에 대한 안전대책으로 LiB의 열화 특성을 고려한 보증수명(End of Life, EOL) 기반으로 설계
및 운영하며, 사업주는 보증기간 내에 항상 같은 방전용량만 사용하도록 하여 설비 안전성 확보와 계통 운영계획의 안정화가 가능하도록 기준을 제안하였다.
내·외부 요인에 의한 배터리 내부단락에 대한 안전대책은 각 제조사에서 사전 진단을 강화하는 등 여러 가지 방법을 적용하고 있다. 또한, 배터리 내부
단락을 일으킬 수 있는 양극의 전이금속 용출, 리튬덴드라이트, 집전체 부식, 집전체 용출 등이 발생하지 않도록 제조공정 강화 대책이 필수적이다. 수많은
배터리가 직병렬로 구성된 시스템에서 하나의 셀이 이상 신호를 미세하게 나타내는 것을 배터리관리시스템에서 검출하는 것은 쉽지 않다. 즉, 내부단락이
발생하여 사고로 이어지더라도 열폭주에 의한 화재확산이나 2차 폭발이 발생하지 않도록 성능시험, 자체소화설비, 급속배기, 열 배출 경로에 가연물 시설
금지, 피해 최소화를 위한 내화구조 격벽 설치를 하도록 기준을 제안하였다. 위험도 분석에서 중간 이상의 위험도와 상대적으로 낮은 수치를 나타낸 지락과
공통모드노이즈에 대한 안전기준도 제안하였다.
표 4 LiB 기반 ESS에 관한 안전기준(안)
Table 4 Safety standards for LiB-based ESS (draft)
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1. 전기저장장치 이차전지 용량은 수명보증기간 동안 정격방전용량(소유자가 요구하는 전기저장장치 용량)이 확보되도록 하여야 한다. 또한, 전기저장장치
이차전지는 안전이 확보되도록 정격용량(이차전지 수명보증기간동안 설비방전용량의 확보가 가능한 용량) 이하로 운영하여야 한다.
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해설 : 대부분 ESS에 사용되는 LiB의 수명은 1사이클/1일 기준으로 EoL(End of life)이 77% 이상 성능을 보증하도록 요구하고 있다.
사용된 LiB 모델별 열화도를 반영하여 설계하여야 하며, 설치가동 후 3년 이내에 화재가 72% 이상(50건 중 36건) 발생했던 특성을 고려하면,
에너지 밀도가 높은 초기에 낮은 SOC 사용으로 안전율을 확보할 수 있다. 또한, 사용기간이 길어지면 노화되거나 이상현상 등이 발생하면 내부저항 증가,
전압편차 발생 등 배터리관리시스템의 진단에 검출될 확률이 높으므로 화재위험을 예방할 수 있다[24]. 설계, 진단, 검사 등 다중화된 모니터링으로
LiB 기반 ESS의 안전율을 확보할 수 있도록 제안한 내용이다.
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2. 이차배터리실 내부에는 가연성 가스 발생 등 내부압력이 발생하는 경우 파열 또는 폭발을 방지하기 위한 급속배기장치를 시설하여야 한다.
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해설: JIS 8715-2:2019의 5.3.Venting, NFPA 855의 4.9.2. Exhaust Ventilation by Design에
의하면 연소하한계(LFL, lower flammability limit)를 25% 이하로 유지하도록 설계하고 배출하는 시스템을 적용하도록 제시되어있다.
하지만 배터리 내부 구성요소의 조성비에 따라 내부압력과 연소하한계가 범위가 다르다. 즉, 내외부 단락 등 사고로 인한 배터리 화재발생 시 벤트 등
다량의 가연성 가스와 열이 발생하여 배터리실에 내부압력이 증가한다. 실제 ESS 화재 현장에서도 폭발로 인한 2차 사고가 발생한 사례가 다수 있었고,
폭발로 인한 인명피해도 발생한 사례가 있었다. 화재 발생 시 가연성 가스로 인한 2차 폭발이 일어나지 않도록 하기 위한 강제로 내부 가연성 가스를
배출할 수 있는 장치 구성이 필요하며, 배터리 사고발생 시 배출되는 가스양과 배터리실 상황을 고려한 배출시스템이 적용될 수 있도록 제안한 내용이다.
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3. 이차전지는 KS C IEC 62619(산업용 리튬이차전지 셀 및 전지의 안전 요구사항) 또는 동등 이상의 안전기준에 적합한 것을 사용하여야 한다.
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해설: KS C IEC 62619의 5.1 일반사항에 의하면 배터리시스템과 그 내부 셀은 일반 안전 고려사항을 준수하도록 되어있으며, 현재 KC 62619에
의해 ESS에 적용하는 리튬이온배터리는 제품인증을 받도록 의무화되어있다. 즉, 표준 온도 범위 내에서 규정된 최대 충전 전류로 시험하고, 제조사에서
제시하는 조건 내에서 작동하도록 제안하는 사항이며, 배터리 열폭주 전이 등 안전성 확인에 대한 시험인증은 의무적으로 준수해야 하는 내용이다. 제2차,
3차 ESS 화재조사위 결과에 따르면 배터리 내부 이상에 의한 원인으로 추정했고, 배터리의 열폭주로 인한 전이 시 화재진압에 어려움이 있었던 다수
사례를 바탕으로 배터리 안전성 시험은 필수 불가결이다. 단, 현재 제시된 시험표준의 범위는 배터리시스템 용량 300 kWh 이하이며, 이후에 시스템단위의
안전기준이 개발되었을 때 동등 이상의 안전기준에 해당하므로, 배터리시스템의 열폭주 전이 등 안전 적합성을 확인할 수 있도록 제안한 내용이다.
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4. 이차전지에 화재확산을 방지할 수 있는 자체 소화시스템 및 구조를 적용하여야 한다.
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해설: 해당 내용은 ESS 화재원인 조사 결과 안전대책으로도 제안된 것이다. 배터리 내부에서 발화가 되었을 때 가장 효과적인 방법이며, 발화가 시작되면
다량의 가연성가스와 열이 발생하기 때문에 발화된 셀에 최대한 소화제를 빨리 직접 분사하였을 때 인접 셀로 전이될 가능성이 줄어든다. 현재 ESS의
배터리시스템에 사용되고 있는 소화시스템은 주수방식, 벤트에 의한 열감지 시 소화시트 분사, 셀 간 열차폐, 소화약제 직접분사방식, 산소차단 밀폐구조
등 다양한 형태로 적용되고 있다. 실제 ESS 화재사고 사례에서 자체소화시스템 효과로 인해 인접셀로 확산되지않고 진압되거나, 소손정도가 심하지 않아
전소되는 사례가 줄어들었음을 확인하였다. 셀 또는 모듈 내부에 냉각 기능이 있거나, 산소 출입이 자유롭지 않으면 화재가 확산될 가능성 또한 줄어든다.
즉, 화재확산을 방지할 수 있는 어떠한 자체소화시스템이나 구조를 적용하도록 제안하는 내용이다.
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5. 이차전지실 내부와 가스 또는 열배출 경로에는 가연성 물질을 두지 않아야 한다.
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해설: KS C IEC 62933-5-2의 7.101.3 폭발로부터의 보호에 의하면, 전기화학적 저장 서브시스템 가스 또는 열배출 경로에는 가연성
물질을 두지 않도록 제안하고 있다. 폭발 위험이 있는 환경에 설치된 제어 서브시스템과 구성 요소들에는 적절한 표준, 제조자 지침 및 현지 규정에 따라
적합한 가스 정화 시스템을 구비해야하며, 인화성 가스가 ESS 외함 또는 격실로부터 아크 발생 요소가 있는 밀폐 공간으로 유입되지 않도록 제안하는
내용이다. 현재 ESS 설치 시 배터리실 내부에는 가연성 물질을 두지 않도록 규정하고 있다.
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6. 이차전지실은 이차전지 용량의 5 MWh 이하 단위로 내화구조의 격벽을 설치하여야 한다.
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해설: 배터리 셀 하나에서 발화되어 인접셀로 확산되면 다량의 열에너지를 제어하기 어려워서 설치되어 있는 전체 설비가 전소되는 경우가 다수 발생하였다.
즉, 대규모가 설치된 사이트에서 화재가 전이되더라도 5MWh이하로 피해를 최소화하기 위해 내화구조 격벽을 시설하도록 제안한 내용이다.
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7. 절연저항을 감시할 수 있는 장치를 설치하여 제조사가 정하는 절연저항 기준치 이하일 경우 관리자에게 경보하고 자동으로 전로를 차단하는 장치를 시설하여야
한다.
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해설: 화재조사위에서 실증한 실험결과 DC 전로 2선 지락과 수분, 분진 환경열화에 의한 배터리시스템 내부 2선 지락에 의해 화재가 발생할 수 있음을
확인하였다. 즉, 지락의 위험이 가장 큰 경우는 배터리시스템 내부이며, 다음 DC 전로, AC 전로 순으로 구성된다. 지락감시장치는 AC 전로의 접지방식과
PCS 타입을 고려하여 설치하여야 한다. 보통 ESS 설비의 DC 전로는 비접지로 설치하므로 PCS 타입조건에 따라 지락감시장치 설치 예시를 다음
표에 나타내었다. 실제 화재사고 사례에서 지락사고의 데이터 로그 확인으로 화재원인이 명확한 경우도 있었고, 지락감시 범위에 해당하지 않아 사전 예방을
못하고, 지락감시장치가 없어서 사고를 막지 못 한 사례도 확인하였다. 지락사고 예방을 위해 감시하는 장치를 설치하고 모니터링 및 기준치 이하일 때
경보를 할 수 있도록 제안한 내용이다. 배터리시스템마다 절연저항을 기준하는 정도가 다르기 때문에 우선적으로 제조사 제시 기준을 적용한다.
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8. 전력변환 과정 중 발생하는 공통모드전압과 공통모드전류에 의해 자체 또는 주변기기에서 오동작, 절연파괴 등의 이상현상이 발생하지 않아야 하며,
이차전지 제조사에서 제시하는 공통모드노이즈 기준에 따라 시설하여야 한다.
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해설: 공통모드노이즈는 전력변환 시스템(PCS)의 스위칭 동작 시 발생하며, ESS 설비 충방전 동작 시 과도한 공통모드노이즈가 발생하면 접지선에
흐르는 전류가 증가하여 설비에 오동작이 발생할 수 있고, 절연수명 저하로 인해 절연파괴 고장을 일으킬 수 있음을 화재조사위에서 우려가 제기되었다.
절연이상 고장을 방지하기 위해 전지시스템 내부 전로의 대지전위를 제한하고, 변압기, 케이블, PCS 등의 설비도 공통모드노이즈를 고려한 절연설계 적합성
확인이 필요하다. 관련 시험은 한국스마트그리드협회 표준인 KSGA-025-5-4의 7.3에서도 요구하고 있다. 공통모드노이즈는 설비환경, 배터리시스템마다
기준하는 정도가 다르기 때문에 우선적으로 제조사 제시 기준을 적용한다.
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3.2 LiB 기반 UPS 관련 안전기준
LiB 기반 UPS의 국내외 안전기준 현황은 표 5에 나타내었다(25-29). 국외는 설치 용량별 승인 절차가 다르며, 일반인이 출입하는 건물내에 LiB를 설치할 경우 UL9540A 등 열폭주 관련 인증과 시험성적서 제출을
의무화하고 있다. 국내는 LiB 기반 UPS 적용 설비 안전에 대한 의무화된 시설규정은 2022년 11월 8일 (산업통상자원부 공고 제2022-809호)
공고되었으나, 제품인증 대상에 대한 용량 범위가 한정적이고, 제조사 자체적으로 해외표준을 적용하여 설치하고 있다.
UPS 설비 특성상 정전 등 비상시에 반드시 작동해야 하는 신뢰성이 중요한 설비임에도 불구하고 유지관리에 소홀하기 쉬워 사고 발생 시 대규모 피해
등 위험에 노출되어 있다. 2022년 10월부터 11월까지 실시한 한국전기안전공사 UPS 사업장 특별안전점검을 실시하였고, 보호장치 등 약 320개소에서
현재 LiB 적용 ESS 안전기준에서 점검항목을 도출하여 점검한 결과 81% 이상이 미흡하였다. 현재 공고되어있는 UPS의 시설규정은 화재위험성이
높은 LiB를 사용하므로 안전을 확보하기 위해서 사용 목적과 운영형태가 다르지만, 같은 LiB를 사용하는 점에서 ESS 안전기준에서 UPS에 적용
가능한 안전기준이 반영되어있다. 대부분 일반인 출입가능한 옥내에 시설되어있는 UPS의 경우 대용량의 LiB가 시설되기 때문에 이격과 다른 전기시설과
배터리실 분리, 사고피해 최소화를 위한 내화구조의 격벽 설치 등의 기준을 반드시 고려해야 한다. 또한 보호장치, 절연, 노이즈대책, 비상정지작동과
LiB 특성을 고려한 이격, 열폭주 및 폭발방지 대책이 반영되어야 한다. LiB 기반 ESS 안전기준의 내용이 반영된 LiB 기준 UPS의 안전기준을
함축하여 안전 요소 개념도를 그림 3에 제시하였다. 화재사고 사례분석에서 언급하였던 보호장치, 차단기 용량산정 적정성, 배터리관리시스템 모니터링 강화, 설비간 보호협조 등의 실증 연구가
추가적으로 필요하며, 실증 연구 결과를 반영한 국제표준 등 LiB 기반 UPS만의 특성이 반영된 지속적인 안전기준 개정이 필요하다.
표 5 LiB 기반 UPS 관련 국내·외 표준 현황
Table 5 Status of domestic and international standards related to LiB-based UPS
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표준번호
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내용
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IEC 62040
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IEC 62040-1은 UPS 설치와 안전요구사항, IEC 62040-2는 UPS 전자기 적합성, IEC 62040-3은 UPS성능에 대한 표준
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IEC 62477
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전력변환 관련이 주목적이며, 독립형 UPS등의 최소 안전요구사항 규정 (ESS용 PCS에 대한 표준으로 적용되고 있음)
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IEEE 1184
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UPS용 배터리를 위한 선택 및 용량선정 기술 권고
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UL 1778
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NFPA70에 따른 이동식, 고정식, 내장형 등 600V 이하 UPS 안전 설치
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UL 1741
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UPS 전용 기준은 아니지만 전력변환에 필요한 장치 성능시험 항목을 인용할 수 있음. 분산에너지와의 사용을 위한 인버터, 컨버터, 컨트롤러, 스위치,
내부연결시스템 장치 등에 대한 표준
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UL 1973
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리튬이차전지 배터리 팩 성능시험 (PV, 풍력터빈, UPS 등 용도)
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UL 9540
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시스템과 장비에 관한 안전인증이며, UL1741과 UL1973이 결합된 표준 (ESS 관련으로 활용)
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UL 9540A
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실 대규모 화재시험 (셀, 모듈, 유닛, 설비), 열폭주 화재 확산 평가 시험 (ESS 관련으로 활용)
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NFPA 855
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배터리 종류별 위험성을 용량으로 제한, 설계, 구성, 설치, 시운전 등 (ESS 관련으로 활용)
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국내 기준
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국외기준(IEC)을 인용한 UPS, LiB(ESS용도) 관련 표준은 있으나 적용하고 있지 않음
·IEC 62040 시리즈를 기반으로 KS C 4310(무정전전원장치)을 ‘21년도에 개정
·LiB 안정성 시험에 대한 KC 62619가 있으나 UPS용 LiB는 인증대상이 아님
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그림 3 LiB 기반 UPS의 안전 요소 개념도
Fig. 3 Conceptual diagram of safety elements of LiB-based UPS
5. Conclusion
본 논문에서는 LiB 기반 에너지저장 기술의 사고사례, 규정 등 현황 분석으로 추이를 확인하였고, 화재위험에 대한 분석으로 안전기준을 도출하였다.
특히 LiB 기반 에너지저장 기술을 활용하고 있는 신재생 연계 중·대형 ESS와 데이터 센터 등 정전 등 비상시 부하 설비에 지속적인 전력을 공급할
수 있도록 사용되는 UPS에 사용되는 에너지 저장설비에 대해 분석하였다. LiB는 화재의 3가지 요소인 연료(가연물), 열, 산소의 조건이 충족될
수 있는 구조이므로 화재발생 가능성을 내포하고 있다. 즉, LiB를 적용한 ESS, UPS 등 모든 전기 설비에는 화재사고 예방을 위한 최소한의 안전기준을
준수해야 한다. 화재위험도 분석결과 높은 충전율과 배터리 내부단락에 의한 추정원인이 가장 높았으며, 이는 배터리 기인 화재사고 발생 위험도가 높다는
의미이다. 큰 범위에서 ESS 화재사고 발생 대상에 대한 위험도 순위를 파악해보았고, 이를 실증데이터와 비교분석하여 개선한다면 신뢰도는 더 높아질
것으로 판단된다. 본 논문에서 국제표준과 화재사고 사례 분석결과 기반으로 제시된 안전기준은 현재 한국전기설비 규정에 반영되어 의무적으로 시설할 때
고려해야 하는 사항이다. LiB 기반 에너지 저장 기술에 대한 화재위험도와 안전기준을 반영한 시스템을 구축함으로써 기술 개발을 선도할 수 있을 것으로
기대된다.
Acknowledgements
본 연구는 2023년도 한국전기안전공사 전기안전연구원
사내 과제 지원에 의하여 이루어진 연구과제입니다.
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UL1741, 2021, Standard for safety Inverters, Converters, Controllers and interconnection
system equipment for use with distributed energy resources
저자소개
She received the Ph.D. in material engineering from Wonkwang University of information
and communication engineering, Korea, in 2019.
She is conducting ESS fire investigation activities to ensure ESS safety.
She is currently a senior researcher in the Electrical Safety Research Institute of
Korea Electrical Safety Corporation(KESCO).
E-mail : jyk89@kesco.or.kr
He received the B.S. and M.S. degree in electrical engineering from Soongsil
University, Seoul, Korea, in 2017 and 2019, respectively.
He is conducting ESS fire accident investigation activities.
He is currently a senior researcher in the Electrical Safety Research Institute of
Korea since 2022.
His research interests include AC/DC power system protection and Renewable Energy
power application.
E-mail : choisj203@kesco.or.kr
He received the B.S and M.S. degree in electronic and electrical engineering from
the Kyungpook National Universtiy, Korea, in 1999 and 2001, respectively.
He is currently a senior resercher in the safety research department at the Electrical
Safety Research Institute of Korea Electrical Safety Corporation (KESCO).
E-mail : azalea@kesco.or.kr
He received the M.S. degree in mechatronics engineering from Hanyang University, Korea,
in 2001.
He is conducting ESS fire investigation activities to ensure ESS safety.
He is currently a ESS research team leader in the Electrical Safety Research Institute
of Korea Electrical Safety Corporation(KESCO).
E-mail : ghyi@ kesco.or.kr
He received the Ph.D. degree in electrical engineering from Myongji Univeristy, Korea
in 2010.
He is currently a head of renewable energy research center in the Electrical Safety
Research Institute of Korea Electrical Safety Corporation(KESCO).
E-mail : mirmir0822@kesco.or.kr
He received the B.S., M.S, and Ph.D. degrees in electrical engineering from the Soongsil
University, Korea, in 1994, 2003, 2007.
He is currently a vice president in the Electrical Safety Research Institute of Korea
Electrical Safety Corporation(KESCO).
His research interests to include asset management for electric facilities, fault
analysis of electric energy and electrical safety technology through the safety coordination.
E-mail : natasder@kesco.or.kr