3.2.1 화재 발생 전 위험도 진단을 위한 환경 데이터

ESS의 화재 발생을 예측하기 위하여, 3.1절에서 정의한 환경 데이터를 기반으로 화재 발생 전 위험도의 상세 내역을 나타내면 표 2와 같다. 여기서, ESS 설치공간의 주변 온도는 정상 범위를 벗어나면 고장을 유발하고, 과도하게 상승하는 경우 열적 충격을 전달하여 화재 위험을 증가시킬 가능성이 있다. 또한, 주변의 습도는 건조 상태에서 정전기 및 아크 발생 가능성을 높이고 다습 상태에서 절연성능을 악화시켜, 시스템 절연 파괴 및 PCB 오동작, 화재 등을 유발시킬 가능성이 있다. 한편, 분진은 적층될 경우, 절연 저하와 배터리 내부 단락을 유발하여 고장 및 폭발 가능성을 증가시킬 수 있으며, 오프가스는 배터리의 이상징후 및 열폭주의 가능성을 나타낼 수 있다.

한편, 상기의 표 2에서 제시한 ESS 화재 발생 전 위험도의 판단조건 및 관련 기술기준을 나타내면 표 3과 같다. 여기서, 주변 온도는 NFPA 855, Annex A에 근거하여, ESS 설치공간에서 정상 운전범위(20 ~ 25[℃])를 벗어나는 경우를 임계 조건으로 상정하며, 화재 발생 이전에 공조설비의 고장이나 제어 이상을 조기에 감지할 수 있다. 또한, 습도는 ASHRAE TC 9.9 가이드라인을 바탕으로, 권장 범위(20 ~ 80[%RH])를 벗어나는 경우를 임계 조건으로 적용하며, 절연체의 결로 방지와 장비 오동작을 조기에 예측할 수 있다. 한편, 분진은 KOSHA H-73-2013의 인체 분진 노출 기준에 근거하여, 인체 안전뿐만 아니라 전기설비의 절연성능을 저하시킬 수 있는 농도인 10 [mg/m³]의 기준을 상정하고, 오프가스는 UL 9540A Section 8 시험 기준에 근거하여, 배터리 벤팅 시 오프가스를 검출할 수 있는 조건을 임계 조건으로 적용한다. 단, ESS 화재 위험도는 배터리 상태, 운용환경, 보호장치 동작 조건 등의 다양한 요인에 의해 복합적으로 결정되므로, 각 기준을 독립적으로 적용하여 위험도를 판단하는데 한계가 있다. 따라서, 본 논문에서는 국내외 표준 및 기술기준을 바탕으로, 각 환경 요인의 가중치를 복합적으로 검토하여 산정하고, 이에 따른 ESS 화재 위험도 평가방안을 제시한다.

3.2.2 화재 발생 전 위험도의 가중치 산정

ESS의 화재 발생 전 위험도를 정량적으로 평가하기 위하여, 상기에서 제시한 표 3과 현장의 경험을 바탕으로 환경 데이터의 가중치를 고려하면 표 4와 같다. 여기서, 주변 온도는 시스템에 열적 스트레스를 발생시키는 간접적인 요인 중의 하나로, 고온은 배터리의 내부저항 증가 및 열 축적(thermal accumulation)을 생성시킬 가능성이 있으며 가중치의 값을 2로 산정하고, 저온은 고온에 비해 화재 위험성이 낮아 가중치를 1로 적용한다. 또한, 주변 습도는 다습 환경에서 절연파괴의 가능성이 매우 높으며 가중치를 4로 상정하고, 건조 상태는 아크 발생에 취약하지만 비교적 화재 위험성이 낮아 가중치 1을 적용한다. 한편, 분진은 장기간 적층되면 시스템의 고장 및 폭발 위험성을 증가시키므로, 가중치를 3으로 산정하고, 배터리의 내부 압력 상승에 따라 발생하는 오프가스는 열폭주의 직접적인 징조 현상이므로, 다른 환경 데이터와 달리 가장 높은 최대 가중치(α)를 적용한다.

한편, 상기의 표 4에서 제시한 환경 데이터의 가중치를 바탕으로, 화재 발생 전 위험도(f_R)는 표 5와 같이, 가중치의 합(R)에 따라 H₁, H₂, H₃, H₄의 4단계로 분류한다. 먼저, 화재 발생 전 위험도 H₁은 1∼2의 가중치 합을 가지는 구간으로 정의하고, 시스템에 열적ㆍ전기적 악영향을 유발할 수 있으나 화재에 직접적인 영향이 적은 초기 상태를 나타낸다. 또한, 화재 발생 전 위험도 H₂는 3~5의 가중치 합을 가지는 구간으로, 주변 온도와 습도, 분진 등, 복합적인 환경 데이터에 의해 ESS용 배터리에 이상징후 발생 가능성이 있는 상태를 나타낸다. 한편, 화재 발생 전 위험도 H₃은 6~9의 가중치 합을 가지는 구간으로, 주변 온도와 습도, 분진 등의 환경 데이터의 누적 및 악화 현상에 의하여, ESS의 화재 발생 가능성이 증가하는 상태를 나타낸다. 마지막으로, 화재 발생 전 위험도 H₄는 오프가스에 의해 최대치(α)의 가중치 합을 가지는 구간으로, ESS의 열폭주와 대규모 화재로 이어질 가능성이 높은 상태를 나타낸다.

3.3.1 화재 발생 후 위험도 진단을 위한 운용환경 요인

ESS의 화재 발생 후 위험도 진단을 위한 요인은 연기와 산소 농도, 압력, 고열, 오프가스 등으로 분류할 수 있는데, 요인별 상세 내역을 나타내면 표 6과 같다. 여기서, ESS 설치공간의 연기는 화재 발생 여부와 진행 상태를 판단하는 요인을 나타내고, 산소 농도는 연소 반응을 지속시키는 요인으로서, 저농도에서 폭발의 위험을 증가시킬 가능성이 있다. 또한, 압력은 가연성 가스의 축적과 열팽창에 의해 급격히 상승하는 특성을 가지고 있으며, 일정 수준을 초과하면 폭발로 이어질 가능성이 있다. 한편, 고열은 인접한 모듈이나 랙으로 화재를 전파하여 대규모 화재로 확산시킬 가능성이 있고, 오프가스는 배터리의 이상징후 및 열폭주의 가능성을 나타낸다.

한편, 상기의 표 6에서 제시한 ESS 화재 발생 후 위험도 진단을 위한 요인과 관련된 국제표준 및 기술기준을 나타내면 표 7과 같다. 여기서, 연기는 NFPA 72 Chapter 17의 감지기 동작 조건에 근거하여, 화재 발생 여부를 판단하는 중요한 요인으로 상정한다. 또한, 산소 농도는 NFPA 69 Annex C에 근거하여, 가연성 가스로 인한 화염 전파를 차단하는 최소 산소 농도(5[%]) 이하를 임계 조건으로 적용하며, 공간 내의 대규모 연소 상태와 외부 공기 유입에 따른 폭발 규모를 평가할 수 있다. 한편, 압력은 NFPA 68 Chapter 5에 근거하여, 방폭 패널의 일반적인 개방 압력 범위(0.05 ~ 0.10 bar(g))를 임계 조건으로 적용하며, 가연성 가스의 팽창으로 인한 물리적 이상징후를 조기에 감지할 수 있다. 또한, 고열은 NFPA 72 Chatper 17에 근거하여, 열 감지기 작동 기준(57 [℃] 이상)을 임계 조건으로 적용하고, 오프가스는 UL 9540A Section 8 시험 기준에 따라, 배터리 벤팅 시 오프가스의 검출 가능성을 임계 조건으로 상정한다.

3.3.2 화재 발생 후 위험도의 가중치 산정

ESS의 화재 발생 후 위험도를 정량적으로 평가하기 위하여, 상기에서 제시한 표 7과 현장의 경험을 바탕으로 ESS 화재 발생 후 위험도 진단을 위한 5개 요인의 가중치는 표 8과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 연기는 화재 발생 여부를 판단하는 직접적인 요인 중 하나이고, 산소 농도는 저농도에서 연소의 상태 및 폭발 위험성을 나타내므로, 가중치의 값을 각각 1로 상정한다. 또한, 압력은 가연성 가스의 팽창으로 인한 고압 상태에서 폭발 위험성이 높으므로 가중치를 2로 적용하고, 오프가스는 주변 점화원과 결합하여 화재를 확대시킬 수 있으므로, 가중치를 5로 상정한다. 한편, 고열은 ESS 설치 공간 내에서 주변 모듈 및 랙으로 화재를 전파하고, 대규모 화재로 확산될 가능성이 있으므로, 다른 환경 요인과 달리 특수 가중치(β)를 적용한다.

한편, 상기의 표 8에서 제시한 운용환경 요인의 가중치를 바탕으로, 화재 발생 후 위험도(f_S)는 표 9와 같이, 가중치의 합(S)에 따라 비(非)배터리 화재에서 N₁, N₂, N₃, 배터리 화재에서 I₁, I₂, I₃로 각각 3단계로 분류한다. 구체적으로, 비(非) 배터리 화재의 발생 후 위험도(N)는 배터리가 직접적으로 화재에 개입하지 않은 상태이며, N₁은 1~2의 가중치 합을 가지는 구간으로, 비(非) 배터리 화재가 발생한 상태를 나타낸다. 또한, N₂는 3∼4의 가중치 합을 가지는 구간으로, 화재의 확산으로 인해 인접 시스템에 피해를 줄 가능성이 높고, N₃은 고열 검출에 의해 5∼+β의 가중치 합을 가지는 구간으로, 대규모 화재로 이어질 가능성이 높은 상태를 나타낸다.

한편, 배터리 화재의 발생 후 위험도(I)는 배터리의 열폭주 및 확산 등에 의하여 화재가 발생한 상태를 나타내며, I₁은 6의 가중치 합을 가지는 구간으로, 단순한 배터리 화재가 발생한 상태이다. 또한, I₂는 7∼8의 가중치 합을 가지는 구간으로, 배터리의 화재 확산 및 폭발로 인해 규모가 확대될 가능성이 높고, I₃은 고열 검출에 의해 9∼+β의 가중치 합을 가지는 구간으로, 대규모 화재로 이어질 가능성이 높은 상태를 나타낸다.

5.1.1 시험 조건

상기의 3.4절에서 제시한 ESS 화재 발생 전ㆍ후의 위험도 진단 알고리즘의 운용특성을 평가하기 위하여, 표 11과 같이 화재 유형별 상정 시나리오는 배터리 화재와 비(非) 배터리 화재로 분류한다. 여기서, 배터리 화재는 습기·분진에 의한 절연 파괴와 고온 지속에 의한 열적 스트레스에 의해 발생한 경우이며, 비(非) 배터리 화재는 일반 소화 대응이 가능한 케이블 절연 열화와 PCB 분진에 의해 발생한 경우를 대상으로 한다. 따라서, 본 논문에서는 상기에서 제시한 화재 유형별 상정 시나리오를 바탕으로, ESS의 환경 데이터와 운용환경 요인의 임계조건에 따른 화재 발생 상황을 모의하고, ESS 화재 발생 전ㆍ후의 위험도 진단 알고리즘에 따른 운용특성을 평가한다.

5.1.2 시나리오별 시험절차

(1) 배터리 화재 시험

상기의 표 11에서 제시한 화재 유형별 상정 시나리오를 바탕으로, 절연파괴와 열적 스트레스에 의한 배터리 화재의 시험절차를 나타내면 표 12, 표 13와 같다. 먼저 표 12와 같이, 절연파괴에 의한 배터리 화재는 배터리 표면에 분진 적층과 챔버 내부의 습도를 상승시켜 절연 저하 상태를 모의하고, 배터리 외부에 열원을 인가하여 벤팅, 화재, 열폭주 등의 상태를 단계적으로 구현한다. 구체적으로, 분진은 청소기의 배출 기체를 챔버 내부에 주입하여 배터리 표면에 적층하고, 습도는 가습기를 이용해 다습 환경을 모의한다. 또한, 벤팅은 배터리의 외부가열을 통해 구현하고, 화재 및 열폭주는 가열을 지속시켜 연기 감지기와 고압 및 고열 경보의 동작 여부를 통해 상태를 파악한다.

한편 표 13과 같이, 열적 스트레스에 의한 배터리 화재는 주변 온도와 습도는 열풍기 및 가습기를 통해 고온 및 건조 상태를 모의하고, 벤팅, 열폭주, 화재 등의 상태는 배터리 외부에 열원을 지속적으로 인가하여 구현한다. 단, 상정 시나리오별 배터리 화재 시험은 모든 상태에 대하여 센서부의 출력에 따른 DAQ 값을 바탕으로 평가한다.

(2) 비(非) 배터리 화재 시험

상기의 표 11에서 제시한 화재 유형별 상정 시나리오를 바탕으로, 케이블의 절연 열화와 PCB 분진에 의한 비(非) 배터리 화재의 시험절차를 나타내면 표 14, 표 15와 같다. 먼저 표 14와 같이, 케이블의 절연 열화에 의한 비(非) 배터리 화재는 챔버 내부의 온도와 습도를 상승시켜 절연 저하 상태를 모의하고, 케이블 더미를 강제로 발화시켜 배터리의 고압, 고열, 열폭주 등의 확산상태를 단계적으로 구현한다. 한편 표 15와 같이, PCB 분진에 의한 비(非) 배터리 화재는 주변 온도는 열풍기를 통해 고온 상태를 모의하고, PCB 단자대에 분진을 적층하여 구현한다. 단, 상정 시나리오별 비(非) 배터리 화재 시험은 모든 상태에 대하여 센서부의 출력에 따른 DAQ 값을 바탕으로 평가한다.

5.2.1 절연 파괴에 의한 배터리 화재

상기 표 12의 절연파괴에 의한 배터리 화재의 시험절차에 따라, ESS 화재 발생 전의 위험도는 표 16과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 절연파괴에 의한 배터리 화재 시험절차는 1초에 배터리 외부에 열원을 인가하고, 5초에 분진용 기체를 챔버 내부에 투입하여 배터리 표면에 분진을 적층시키고, 이를 초기의 절연 저하 상태로 상정한다. 또한, 배터리 표면에 적층된 분진에 의하여 19초에 먼지 센서가 동작하는데, 계측장치부는 이를 화재의 초기 이상징후로 판단하여, ESS 화재 발생 전 위험도를 H₂로 평가한다. 한편, 38초에 가습기의 습기를 챔버 내부에 투입하여 증가시키면 다습 알람 경보가 발생하고, 72초에 계측장치부는 이를 절연저하의 악화에 따른 이상징후로 판단하여, ESS 화재 발생 전 위험도를 H₃으로 분류한다. 마지막으로, 116초에 오프가스의 검출에 따른 경보를 바탕으로, 열폭주의 초기 이상징후로 판단하여, ESS 화재 발생 전 위험도를 H₄로 진단한다.

한편, 상기 표 12의 절연파괴에 의한 배터리 화재의 시험절차에 따라, ESS 화재 발생 후의 위험도는 표 17과 같이 나타낼 수 있다. 먼저, 배터리의 열폭주에 의하여 168초에 연기 감지기가 동작하는데, 계측장치부는 이를 화재의 초기 확산 단계로 판단하여, ESS 화재 발생 후 위험도를 I₁으로 평가한다. 또한, 175초에 고압을 발생시키면 압력 센서가 동작하는데, 이를 화재 확산에 따른 폭발 위험이 증가한 것으로 판단하여, ESS 화재 발생 후 위험도를 I₂로 평가한다. 한편, 192초에 고열 발생에 의한 열 센서의 경보를 바탕으로, 심각한 확산 단계에 진입한 것으로 판단하여, ESS 화재 발생 후 위험도를 I₃로 진단한다.

상기의 표 16과 표 17을 바탕으로, 절연파괴에 의한 배터리 화재 시험과 이에 따른 ESS 화재 발생 전ㆍ후의 위험도 진단 평가 특성을 종합하면 그림 9와 같이 나타낼 수 있다. 즉, 연기 감지기의 동작 여부에 따라 화재 발생 전 위험도(H₂, H₃, H₄)와 화재 발생 후 위험도(I₁, I₂, I₃)로 나타낼 수 있다.

그림 9. 절연파괴에 의한 배터리 화재의 위험도 평가

Fig. 9. Risk degree of battery fire case with insulation breakdown

5.2.2 열적 스트레스에 의한 배터리 화재

상기 표 13의 열적 스트레스에 의한 배터리 화재의 시험절차에 따라, ESS 화재 발생 전의 위험도는 표 18과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 열적 스트레스에 의한 배터리 화재 시험절차는 열폭주를 모의하기 위해 1초에 배터리 외부에 열원을 인가하고, 5초에 열풍기를 가동하여 열적 스트레스를 발생시킨다. 즉, 열풍기에 의하여 30초에 습도(건조) 센서가 동작하여 이를 화재의 초기 이상징후로 판단하고, ESS 화재 발생 전 위험도를 H₁으로 평가한다. 또한, 34초에 고온 알람 경보가 발생하여, 상기 표 9에서 제시한 가중치 합을 초과하므로, ESS 화재 발생 전 위험도는 H₂로 평가한다. 마지막으로, 125초에 오프가스의 검출에 의한 경보를 바탕으로, 열폭주의 초기 이상징후로 판단하여, ESS 화재 발생 전 위험도를 H₄으로 진단한다.

한편, 상기 표 13에서 제시한 열적 스트레스에 의한 배터리 화재의 시험절차에 따라, ESS 화재 발생 후의 위험도는 표 19와 같이 나타낼 수 있다. 먼저, 배터리의 열폭주에 의하여 185초에 연기 감지기가 동작하는데, 이를 화재의 초기 확산 단계로 판단하여, ESS 화재 발생 후 위험도를 I₁으로 평가한다. 또한, 239초에 고열 센서가 동작하지만, 상기 표 9에서 제시한 가중치 합을 초과하지 않아, ESS 화재 발생 후 위험도는 I₁으로 유지된다.

그림 10. 열적 스트레스에 의한 배터리 화재의 위험도 평가

Fig. 10. Risk degree of battery fire case with thermal stress

상기의 표 18과 표 19를 바탕으로, 열적 스트레스에 의한 배터리 화재 시험과 이에 따른 ESS 화재 발생 전ㆍ후의 위험도 진단특성을 종합하면, 그림 10과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 연기 감지기의 동작 여부에 따라 화재 발생 전 위험도(H₁, H₂, H₄)와 화재 발생 후 위험도(I₁, I₃)로 나타낼 수 있다.

5.3.1 케이블 절연 열화에 의한 비(非) 배터리 화재

상기 표 14의 케이블 절연 열화에 의한 비(非) 배터리 화재의 시험절차에 따라, ESS 화재 발생 전의 위험도는 표 20과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 케이블 절연 열화에 의한 비(非) 배터리 화재 시험절차는 5초에 습도 제어기를 가동하여, 다습한 환경을 제공한다. 즉, 76초에 습도 센서가 동작하는데, 이를 화재의 초기 이상징후로 판단하여, ESS 화재 발생 전 위험도를 H₂로 평가한다. 또한, 100초에 열풍기를 가동하면 112초에 고온 경보가 발생하고, 이를 절연 열화를 심화시키는 단계로 판단하여, ESS 화재 발생 전 위험도를 H₃로 진단한다.

한편, 상기 표 14에서 제시한 케이블 절연 열화에 의한 비(非) 배터리 화재의 시험절차에 따라, ESS 화재 발생 후의 위험도는 표 21과 같이 나타낼 수 있다. 먼저, 케이블 발화에 의하여 116초에 연기 감지기가 동작하는데, 이를 화재의 초기 확산 단계로 판단하여, ESS 화재 발생 후 위험도를 N₁으로 평가한다. 또한, 152초에 고압을 발생시키면 압력 센서가 동작하는데, 이를 화재 확산에 따른 설비 영향 범위가 증가한 것으로 판단하여, ESS 화재 발생 후 위험도를 N₂로 분류한다. 한편, 213초에 케이블 발화의 증폭에 의한 고열 센서의 동작에 따라, 확산 단계에 진입한 것으로 판단하여, ESS 화재 발생 후 위험도를 N₃로 평가한다. 마지막으로, 255초에 오프가스의 검출에 의한 경보를 바탕으로, 화재 확산에 따른 열폭주의 초기 이상징후로 판단하여, ESS 화재 발생 후 위험도를 I₃ 등급으로 진단한다.

상기의 표 20과 표 21을 바탕으로, 케이블 절연 열화에 의한 비(非) 배터리 화재 시험과 이에 따른 ESS 화재 발생 전ㆍ후의 위험도 진단 특성을 종합하면, 그림 11과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 연기 감지기의 동작 여부에 따라 화재 발생 전 위험도(H₂, H₃)와 화재 발생 후 위험도(N₁, N₂, N₃, I₃)로 나타낼 수 있다.

그림 11. 케이블 절연열화에 의한 비(非) 배터리 화재의 위험도 평가

Fig. 11. Risk degree of non-battery fire case with cable insulation degradation

5.3.2 PCB 분진에 의한 비(非) 배터리 화재

상기 표 15의 PCB 분진에 의한 비(非) 배터리 화재의 시험절차에 따라, ESS 화재 발생 전의 위험도는 표 22와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, PCB 분진에 의한 비(非) 배터리 화재 시험절차는 6초에 분진용 기체를 챔버 내부에 투입하여 PCB 단자대에 분진을 적층시키며, 이를 초기의 절연 저하 상태로 상정한다. 즉, 적층된 분진에 의하여 18초에 먼지 센서가 동작하는데, 이를 화재의 초기 이상징후로 판단하여, ESS 화재 발생 전 위험도를 H₂로 평가한다. 한편, 70초에 열풍기로 챔버 내부에 열기를 투입하여 증가시키면, 112초에 온도 센서가 동작하는데, 상기 표 5에서 제시한 가중치 합을 초과하지 않으므로, ESS 화재 발생 전 위험도는 H₂로 유지된다.

한편, 상기 표 15에서 제시한 PCB 분진에 의한 비(非) 배터리 화재의 시험절차에 따라, ESS 화재 발생 후의 위험도는 표 23과 같이 나타낼 수 있다. 먼저, PCB 단자대의 발화에 의하여 125초에 연기 감지기가 동작하며, 이를 화재의 초기 확산 단계로 판단하여 ESS 화재 발생 후 위험도를 N₁으로 평가한다. 또한, 153초에 산소 센서가 동작하지만, 상기 표 9에서 제시한 가중치 합을 초과하지 않아, ESS 화재 발생 후 위험도는 N₁으로 유지된다. 한편, 203초에 고열 센서의 동작에 의하여 확산 단계에 진입한 것으로 판단하여, ESS 화재 발생 후 위험도를 N₃로 평가한다. 마지막으로, 255초에 오프가스의 검출에 의한 경보를 바탕으로, 화재 확산에 따른 열폭주의 이상징후로 판단하여, ESS 화재 발생 후 위험도를 I₃로 진단한다.

상기의 표 22와 표 23을 바탕으로, PCB 분진에 의한 비(非) 배터리 화재 시험과 이에 따른 ESS 화재 발생 전ㆍ후의 위험도 진단 특성을 종합적으로 나타내면 그림 12와 같다. 즉, 연기 감지기의 동작 여부에 따라, 화재 발생 전 위험도(H₂)와 화재 발생 후 위험도(N₁, N₃, I₃)로 나타낼 수 있다.

그림 12. PCB 분진에 의한 비(非) 배터리 화재의 위험도 평가

Fig. 12. Risk degree of non-battery fire case with PCB dust