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기고 배터리형 ESS의 화재 조기감지 및 방지 운영기술 개발

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작성자 댓글 0건 조회 2,381회 작성일 21-10-07 13:55

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그림 1. ESS의 일반적인 구성 


최근 국내 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS주1))산업은 급속적인 발전을 하였다. ‘18년 이후에는 에너지저장장치에 사용하는 리튬이온배터리에서 지속적으로 화재가 발생하였다. ESS 화재는 내외부적인 원인이 다양하게 존재하고 원인파악이 어려워 근본적인 원인 제거가 어려운 상황이다. 전기에너지를 저장하는 배터리의 화재는 배터리 내부에서 화재로 이어지는 열폭주가 발생하면 에너지가 완전히 소진될 때까지 소화가 어렵다. 배터리의 상태는 전기, 온도 등의 변화를 감지하여 운영하고 있으나 DNV-GL, NFPA, 외국의 대학 및 센서개발기업 등의 연구결과에서 화재발생 직전까지 전기, 온도의 변화가 이를 방지할 수 있을 정도의 뚜렷한 변화를 보이지 않는 경우를 확인하였다. 


‘18년 하반기부터 시작된 정부와 민간의 합동 현장조사와 ’19년 상반기 산업부의 민간합동 화재사고 조사위원회, 한국전력공사와 전기안전공사의 화재사고 실증시험, ‘19년 하반기부터 현재까지 ESS의 안전한 재가동을 위해 산업부 주관 및 전기안전공사가 간사로 진행하고 있는 관련 협회와 한전 등이 참석하는 민간합동 안전관리위원회, ’20년 상반기 2차 화재사고 조사위원회, 제작업체 및 시공업체 등의 다양한 화재방지 조치 등의 노력으로 대부분의 사업장이 재가동을 하게 되었으며 일부 사업장은 화재위험으로 운영을 포기하기도 하였다. 이러한 과정에서 제작업체와 시공업체 및 많은 전문가들이 다양한 대책들을 제시하였으며 신뢰성과 경제성을 확보하기 위하여 다양한 실증을 수행하고 있다. 산업부와 에너지기술평가원의 지원으로 한전이 주관하여 가스안전공사, 한국전기기술인협회, 한국산업기술시험원, 한국화학융합시험연구원, 인텍FA와 수행하고 있는 정부과제 “ESS 안전확보를 위한 실증기반의 안전성 평가지표 개발 및 시설기준 제정”(‘19.6~’21.11) 연구과제에서는 다양한 실증을 통한 대책들의 검증과 안전성 평가기술을 개발 중에 있다. 


본 고에서는 그간의 실증을 기반으로 배터리 화재가 발생하기 직전부터 사전 징후를 감지하고 이를 기반으로 화재를 방지하며 화재 최성기에 소화하는 방법, 배터리 랙의 이격거리 및 방화벽 사용 결과 등 배터리 화재 안전을 확보하기 위한 연구과제의 실증 전반을 소개하고자 한다. 


ESS 및 배터리의 일반적인 구성

ESS는 일반적으로 <그림 1>과 같이 배터리, 전력충방전시스템(PCS, Power Conditioning System), 전력운영시스템(PMS, Power Management System), 계통연계설비(변압기, 수배전반 등) 등으로 구성되어 있다. 


최근 국내에 설치되는 ESS는 대부분 리튬이온배터리를 사용하고 있다. 리튬이온 배터리는 일반적으로 <그림 2>와 같이 셀, 모듈, 트레이, 배터리운영시스템(BMS, Battery Management System), 스위치기어, 랙, 배터리실 등으로 구성되어 있다. 


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그림 2. ESS 배터리의 일반적인 구성 



배터리운영시스템은 배터리를 안전하고 효율적으로 운영하기 위한 목적을 가지고 있다. 배터리운영시스템은 모듈 내 여러 개의 셀 중 몇 개의 온도를 대표적으로 측정하거나 전극의 온도를 측정한다. 셀 단독 또는 2~3개 단위로 병렬 전압 및 전류 등을 측정한다. 또한 랙 및 컨테이너 단위 배터리운영시스템에서도 온도, 전압, 전류의 최고, 최저, 편차를 감시하고 있다. 셀은 충방전을 반복하면서 내부저항과 절연성능이 변화된다. 내부저항과 절연성능의 변화는 셀마다 다르게 진행된다. 여러 셀에 동일한 전압을 인가하더라도 자체의 다른 내부저항으로 인해 열 발생량이 달라지고 온도변화가 달라진다.


배터리 화재발생 전후 변화

<그림 3>은 외국 기관에서 시험한 결과로 리튬이온 배터리 모듈 1개를 히팅패드 위에 올려 놓고 열을 가하여 화재를 시험한 결과이다. 가스압력에 의해 벤팅이 발생하기 직전에 온도, 연기, 압력 등이 변한 것을 알 수 있으며 전압은 벤팅 이후에도 수십 초가 지나서 내부단락으로 급락하였다. 같은 조건으로 봉침을 투입하여 내부단락을 유도한 시험에서도 비슷한 결과를 보여주었다(1). 셀을 직렬로 연결한 봉침 투입 시험에서는 화재발생 전에 전압 급락을 보여주었으나 직전에 변화를 보임으로써 화재를 판단하여 방지할 수 있는 유효한 계측신호로 처리하기 어려운 것으로 판단되었다(2). 셀 외부충격 시험과 외부 열노출 시험에서도 전압의 변화가 화재 직전에 발생하였고 과충전 시험에서는 전압을 기준으로 과충전을 가하며 전압과 온도 변화를 과충전 진행에 따라 지속적으로 나타냈으며 외부단락시험에서는 외부단락 직후 전압과 온도 변화를 보여주었다. 외부 충격이나 외부 열 등으로 인한 내부단락이 진행될 경우 전압의 변화가 거의 없음을 알 수 있었다(3). 또한 다양한 리튬이온 배터리 시험에서도 열화가 진행됨에 따라 전압과 온도의 변화가 내부단락이 이뤄지는 직전에 가서야 두드러지게 확인됨을 알 수 있었다(4). 위와 같이 국외기관들의 다양한 시험에서 온도 및 전기적인 데이터를 통해 화재를 사전에 감지하여 방지할 수 없는 경우를 확인할 수 있었다. 


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그림 3. 히팅패드에 의한 모듈 화재시험 




...후략 


임건표 한국전력공사 전력연구원 신재생에너지연구소

본 기사는 2021년 10월호에 게재되었습니다. 


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