[전문가 기고] ESS(전기저장장치)의 화재 특성과 예방 대책

이택구 소방기술사 | 입력 : 2018/09/20 [09:32]

▲ 이택구 소방기술사

5월부터 7월까지 전국에 총 6차례 에너지저장장치(ESS) 화재가 잇따르자 전력업계에는 비상이 걸렸다. 산업통상자원부를 중심으로 원인 파악을 위한 조사도 진행 중이다.


무엇보다 중요한 점은 정부의 신재생에너지 정책과 맞물려 돌아가던 ESS 신뢰 하락과 추가 화재에 대한 우려다. 소방청 역시 최근 신재생에너지 관련 시설의 소방안전관리 대책 방안을 강구하고 있는 것으로 알려졌다.


ESS(Energy Storage System)는 태양광과 풍력 등 신재생에너지와 공장의 남는 전기에너지를 저장했다가 전력이 필요할 때 공급하는 전력시스템이다.


업계와 정부 통계에 따르면 현재 전국의 ESS 보급량은 1.8GWh에 달한다. 신재생에너지에 대한 관심이 급증하면서 보급량이 지난해보다 20배 이상 성장했다.


폭발적으로 ESS 수요가 늘고 있고 정부는 연내에 건물과 가정용으로도 ESS를 확대 보급하겠다는 계획을 밝힌 바 있다.


화재 원인 조사에 나섰던 산업통상자원부는 최근 국회에 조사자료를 제출했다. 그 내용은 다음 표와 같다.

 

 

고창 변전소와 군산 태양광, 해남 태양광, 세종 아세아제지 등의 화재는 아직 사고원인이 명확히 규명되지 않은 상태다. 고창 변전소의 경우는 한전과 탑전지, 대학교수 등이 원인조사에 함께 참여했지만 컨테이너 내부를 식혀주는 공조기가 가동되지 않아 ESS 내부 온ㆍ습기 상승을 초래한 것으로 잠정 결론 내렸다고 한다.


사고원인이 규명된 경북 경산 변전소 내 ESS 화재를 살펴봤다. 화재원인이 BMS 등의 소손이라고 해도 결국 리튬이온 배터리가 발화 위험성이 높기 때문에 단 하나의 발화 원인만 제공한다면 열 폭주는 연속적으로 일어난다. 


또 배터리가 랙이라는 밀집된 구조로 구성돼 연소 확산으로 실 전체가 소실되는 특징을 가지는 게 그동안의 사례다.


리튬이온 배터리 화재를 알려면 배터리 구조부터 이해를 해야 한다. 리튬이온 배터리는 양극과 음극이 만나 화학반응으로 인한 발화가 일어나지 않도록 절연체인 전해액 속에 분리막이 설치돼 있다.


리튬이온 폭발 구조를 열 폭주라 하는데 셀의 열 폭주(Cell thermal runaway)는 고도의 산화성 양극과 고도의 환원성 음극이 함께 만나 급속도로 스스로 발열(화학반응)하는 것을 말한다.


이러한 열 폭주 화학반응에서는 셀에 저장된 에너지를 매우 빠르게 방출하게 된다. 또한 셀이 많이 충전돼 에너지가 많을수록 열 폭주 반응이 더욱 활발하게 일어난다.


결국은 리튬이온 배터리를 사용하는 이유는 다른 배터리보다 에너지 밀도가 높기 때문인데 반대로 열 폭주 반응은 매우 활발하게 일어나는 단점을 지닌다. 


리튬이온 배터리 화재에 대한 소방기술자의 인식과 기존 소화설비의 문제점에 대해 짚어보면 우선 1차 전지인 리튬배터리의 경우 금속화재 양상을 띤다. 하지만 리튬이온 배터리(2차 전지)의 화재 성상은 열 폭주 현상을 일으키는 화학적 반응임에도 불구하고 금속화재로 오해하기도 한다.


만약 리튬이온 배터리 화재가 금속화재라면 현재 사용되고 있는 가스계소화설비와 에어로졸 소화장치는 법적 기준으로 적응성이 없는 설비가 된다. 다행히 ESS 화재는 금속화재가 아니다. 그러나 가스계소화설비와 에어로졸 소화장치를 적용하면 안 되는 이유가 있다.


첫째, 리튬이온 배터리 모듈의 구조적인 문제 때문이다. 리튬이온 배터리 셀이 팩에 밀집돼 모듈로 만들어 진다. 각 단의 모듈이 쌓여서 랙 모양의 저장형태를 갖추고 있다. 또한 모듈은 금속재질의 카바로 덮여 있어 가스계약제가 방사되더라도 팩 내부에 침투하기도 어렵다.


둘째, 연료에 대한 소화농도를 알아야만 한다. 중요한 것은 화재 발생 원인인 전해질 화학반응에 따른 열 폭주다. 전해액과 분리막 등과 관련된 재료의 성분이 제조사마다 다르고 화재 성상과 소화 농도도 다르다. 열 폭주하는 시간도 제품마다 다르다.


가스계소화설비는 제품마다 해당 소화약제로 현장 실증 실험을 통해 모듈 내 침투여부와 소화농도, 방출시간 등을 정해 설계하는 것이 기본 상식이다. 하지만 이를 무시하고 ESS 화재를 일반 전기화재로 판단하고 있다.


셋째, 약제 방출시간이 화재 초기에 이뤄져야 한다는 점이다. 가스계소화설비는 초기화재에 사용하는 화재 진압설비이다. ESS 화재의 경우 크기가 1100℃까지 이르고 연속적으로 셀 열 폭주가 일어난다. 따라서 화재가 커지기 이전인 낮은 온도에 소화가스가 방출돼야 하지만 대부분이 감지시간과 전혀 관계가 없는 열감지기와 재래식 연기감지기가 사용된다. 검토 과정도 없이 용감하게 무용지물 가스계소화설비를 적용하고 있는 실정이다.


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.


일반적으로 ESS 실은 항온과 항습을 위해 단열과 밀폐도가 강조되기 때문에 창을 두지 않는다. 소방의 관점에서 보면 진화가 매우 어려운 화재라고 할 수 있다. 화재 발생 시 무방비로 전소될 우려가 크다는 것이다.


건물에 ESS가 설치된 경우 문제는 더욱 커진다. 대형 화재로 이어질 수 있기 때문이다. 유독성 가스가 다량 방출되기 때문에 초기 진압 시기를 놓쳤을 경우 대형 인명 피해도 우려된다.


리튬이온 배터리 화재에 대한 소방시설 보완 방안이 없는 것은 아니다. ESS 화재에 대처하기 위해 NFPA(미국방화협회)에서는 NFPA 연구재단을 통해 그동안 많은 연구를 진행해 왔다.


그 결과를 3차에 걸쳐 발표했고 NFPA 855기준(Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems) 초안을 마련하기도 했다. 현재 기준에 대한 검토와 보완이 이어지고 있으며 내년 초에 초판이 발행될 예정이다.


초안 내용을 들여다 보면 랙은 벽과 그룹별로는 3ft 이상 떨어져야 하고 독성가스 배출을 위한 환기장치와 전용 건물이 아닌 건물에 설치될 최대용량은 600kwh 이하로 제한하고 있다.


또 소화설비로 방수 밀도가 높은 0.3gpm/ft2 (12.2mm/min) 이상의 스프링클러로 방호하도록 하고 있으며 다른 소화설비(고발포, 가스계, 워터미스트, 분말 등)를 적용할 경우 반드시 UL9540A에 따라 실화재 실증시험(Large Scale Fire Test)를 거치도록 하고 있다.


우리나라도 ESS에 대한 법률 개정이 필요한 시점이고 현실과 맞지 않는 소방시설에 대한 제도 개선도 조속히 병행돼야 한다.


가장 시급한 것은 ESS에 대한 특정소방대상물 선정이 필요하다. ESS에 대한 수요가 고층건물뿐 아니라 공동주택에까지 늘어나는 추세이기 때문이다.


현재 적용할 수 있는 법적 설비로는 배터리로 간주해 무용지물인 가스계소화설비 법적 설비로 설치되고 있는 실정이다. 적합한 소방시설이 적용되도록 소방시설법의 특정소방대상물 지정과 기준 개정이 필요하다.


조기 화재 감지기도 절대적으로 필요하다. 현재 일반 소방대상물에 설치되는 열, 연기 화재감지기로는 조기 감지 성능과는 거리가 멀다. 기존 BMS에서 관리 중인 모듈의 온도 감시와 병행해 조기감지용 공기흡입형 연기감지기나 가스감지기 등을 적용해 화재를 조기 감지할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 이는 화재 확산 전 수동 조치할 시간을 벌어줄 수 있다.


실제적인 소화설비도 필요하다. 가스계소화설비로는 리튬이온배터리 열 폭주 화재 현상의 열을 냉각할 수 없다. 즉 적응성이 없다는 얘기다. 대량의 물로 배터리 화재의 화염을 자동으로 제어할 수 있도록 방수밀도가 높은 K값 200이상의 스프링클러를 설치토록 해야 한다. 3D 화재(입면화재) 형태를 가지는 랙 배터리 화재를 포로 덮어 냉각과 질식으로 화재를 제어하는 고발포소화설비 등도 필요하다.


또한 PCS실의 판넬 등에는 소공간 자동소화장치로 보완이 필요하고 기존 시설에 대해서도 대책이 마련돼야 한다. 설치된 기존 가스계 소방시설은 신뢰성이 없을 뿐 아니라 화재 제어와 진압에 전혀 도움이 되지 않기에 불산 방지를 위해 수동으로도 관리되도록 관할 당국이 허가해야 한다.


더 이상 소방시설을 무방비 상태로 존치해서는 안 된다. 조기 화재 진압을 위해서라도 제도 손질을 지금부터 시작해야 한다.

 

이택구 소방기술사

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