<특별기획 3> ESS와 태양광발전소 화재사고 무엇이 문제인가?
글/이순형 박사·기술사
2018.08.07
스토리
1. 현황
2. 문제점
3. 대책
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http://www.enertopianews.co.kr/news/articleView.html?idxno=5882
현재 대한민국은 두 가지 화재에 대한 원인 불명으로 몸살을 앓고 있다.
그 첫 번째가 길거리를 달리고 있는 외제 수입차이고, 그리고 에너지전환의 핵심사업인 에너지저장장치(ESS)의 화재 사고다. 참으로 민망하기 짝이 없다. 정말로 화재 원인을 모르는 걸까? 국토부와 산업부는 어떻게 이 문제를 풀어갈 수 있을까? 특히 ESS 부분에 대하여 산업부의 대응이 무척 궁금해진다.
저는 ESS 도입 초기부터 산업부 회의에 참석했었다. 그런데 계속 똑 같은 느낌은 왜 이럴까였다. 대기업 위주의 회의는 에너지 전문가나 계통전문가는 찾아보기 힘들고 배터리회사에 에너지공단, 에기평 등 어떻게 하면 ESS 시장을 확대 시키느냐 에만 초점이 맞추어진 느낌이었기 때문이다.
그리고 어느 날부터 리튬 이온전지는 1세대부터 3세대까지 너무 빠르게 진행되는 과정을 보면서 한편으로 잘 운영될 수 있을까 하는 불안한 마음을 지울 수 없었다. 2015년경을 기준으로 총 3번의 변화가 있었던 것으로 기억하는데, 물질이나 기술은 변하지 않고 에너지 밀도를 크게 만들었던 것을 지적하지 않을 수 없다.(63A×3 = 189A), (14개 단위에서 22개 단위 등), 즉 동일한 물질로 에너지밀도를 2배 이상 올릴 수 있었던 기술적 근거도 자세히 공개해야 한다.(내부 단락에 의한 안전성 문제 등) 이렇게 큰 단위(대용량)에 대한 안전장치는 어떻게 마련했는지, 자세한 설명이 있어야 한다.
한국전력공사 FR용을 시설한 후 풍력발전과 태양광발전용으로 공급하게 되면서 계속 커져만 가는 용량을 누가 객관적인 기술로 검증하는가이다. 사고 원인을 여러 군데서 찾을 수 있겠지만, 우선 이 부분을 지적하고 싶다.
전력을 저장하는 방법에는 여러 가지가 있다. 양수발전은 대규모로 유효한 수단이며 가능성이 있는 장소에서는 적극적으로 이용되고 있다. 물전해를 이용한 수소로서의 저장은 재생가능에너지를 베이스로 개발이 진행되고 있으며, 그 외 초전도를 이용하여 코일에 저장하는 방법, 기체의 압력으로서 대규모로 저장하는 방법도 시도되고 있다. 캐퍼시터도 소규모로는 효과적인 수단으로 실용화되어 있다. 이러한 상황에서도 예로부터 이용되어 온 축전지에 전력을 저장하는 방법은 최근에 많이 설치하고 있으며 중요한 부분을 차지하고 있다.
2차전지는 원래 납축전지와 니카드의 알칼리 축전지 밖에 없었으나 1980년 무렵 부터 니켈 수소전지, 리튬 이온전지가 일본의 기술로 개발되고 포터블 전원으로서 현재의 정보사회를 지탱하고 있다. NAS전지, 레독스 플로우 전지는 대형 전력저장용 전지로서 개발이 진행되고 있다.
■ 사고 전
◑ 배터리 시설장소 및 공간
현재 ESS를 설치하고 있는 설치 공간의 문제점을 지적하고 싶다. ESS와 수·변전설비를 함께 설치한 곳이 많은데 이를 격실로 서로 분리하는 것이 바람직하다. 전지 열 상호간 그리고 점검면도 최소 600mm이상을 확보해야 한다. 실의 높이는 발열량을 계산하고, 실온 상승 억제를 위하여 최소 4m ~ 4.5m는 확보해야만 직사광에 의한 온도 상승과 내부 발생 온도를 균일하게 관리할 수 있다. 설계를 하다 보면 제조사에서 발열량을 비공개로 하는 경우가 많은데, 이는 제조사의 요구 온도를 유지하기에 불확실한 시공이 될 수밖에 없다. 예로 실내 온도를 0℃ ~ 25℃(28℃)를 유지하기 위해서는 제조사가 발열량 자료를 자세히 제공하여 이를 설계하는 엔지니어링 회사에서 실내 온도 상승 억제를 위한 공기량을 계산하도록 해야 한다. 또한 최하위 셀과 최상에 설치된 셀의 온도 차이를 최소화 하도록 해야 한다.(예로 5℃ 이하) 그러나 현장을 방문해 보면 열악한 조건이 많다. 특히 공조시스템이 적정하게 설계되어 있지 않아 내부 온도 관리에 문제가 있는 곳이 많기 때문이 안정된 운전을 위해서는 정확한 데이터를 가지고 설계하여야 한다.
◑ 대용량 배터리 문제(대 전력 에너지 저장용)
대용량 ESS가 여러 곳에서 동시에 시설되면서 ESS에 대한 기술적 교육이 이루어지지 않아 아직 훈련되지도 않은 사람들이 시설을 하는 경우가 많아졌다. 여기서 중요한 점은 배터리 제조사에서 별도로 교육을 시켜주거나 시스템이 안정화 될 때까지 별도로 특별 관리를 해주어야 한다. 하지만 현실은 그렇지 못하고 있다. 이를 하루 빨리 개선해야 한다. 그리고 전력계통 문제도 전문지식이 있는 기술사가 반드시 설계해야 한다.(PCS와 TR의 대용량에 따른 CABLE, 퓨즈, 차단기 등 기술적 검토)
▷ 2차 전지의 수명과 열화
이차 전지 중 현재 ESS로 가장 많이 시설하고 있는 리튬 이온 전지는 초기 용량의 60%까지 용량이 저하 됐을 때 그 전지의 충방전 사이클 수명이라고 한다. 다른 2차 전지와 달리 정극 부극 활물질 상태에서 피막 생성이 충방전 사이클 열화의 주원인이라고 생각한다. 충전 상태의 정극, 부극은 매우 활성적이어서 전해액의 유기 용매와 서서히 반응해서 리튬을 포함한 유기 화합물이나 무기화합물의 피막을 만든다. 이 피막 생성 과정에서 전지 반응에 관하여는 리튬 이온이나 전해액이 소비되고, 그 결과 사이클 열화를 일으키게 되는데 이와 같이 전지 용량의 저하 원인은 매우 복잡하다. 이에 대한 대책을 세워야 한다.
▷ 과충전과 과방전
과충전이란 전지의 정격 용량을 넘어서 전지가 충전되는 것을 말하고, 전지의 방전 용량은 전지의 용기 내에 들어 있는 활물질의 양으로 결정 된다. 전지의 안전성 등을 고려해서 일반적으로 정극 활물질과 부극 활물질은 같지 않고, 어느 쪽이 많이 들어 있게 된다.(이에 대한 구체적 기술적 내용 생략)
리튬 이온 전지는 과충전이 진행되면 전해액이 분해가 일어나서 계속해서 정극과 전해액의 반응이 일어난다. 특히 과충전 상태의 정극에서는 결정이 붕괴되어 산소를 방출하고 이 산소가 전해액을 산화 분해해서 발열하기 때문에 전지 내부의 온도가 상승한다. 온도 상승이 계속되면 열 폭주라 불리는 반응이 일어나서 발열이나 발화를 일으키는 경우가 있으므로 위험하다.
이와 같이 과충전, 과방전은 대용량 ESS용과 같이 전지를 여러 개 직렬로 연결해서 사용하는 전지에서 일어나기 쉽다는 것이다. 이렇게 전지를 여러 개 직렬로 구성할 때는 용량이 같은 전지를 이용하는 것이 당연하지만, 충방전 사이클이 진행되면, 열화가 진행된 용량이 적은 전지가 1개 나오게 된다. 이와 같이 직렬로 구성된 전지에 충방전을 계속하게 되면 그 열화된 1개의 전지에서 과충전이나 과방전을 강제적으로 받게 되어 있다. 이와 같은 위험을 피하기 위하여 전지 1개마다 전지 전압을 측정하고, 더 나아가 온도 센서로 전지 측면 온도를 측정하여 이상이 검출되면 즉시 그 전지를 전기회로로부터 분리하도록 BMS 시스템을 잘 구성해야 한다.
그동안 ESS 보급에만 속도를 냈었지 리튬 이온 전지의 안정성에 관한 여러 규칙들은 소홀히 했던 결과가 아닌가. 되돌아보아야 한다. 아직까지 국가 규격이 아닌 단체 규격을 사용하고 있는 점도 지적하고 싶다.
▷ 리튬이온 전지의 안전성
리튬 이온 전지에는 석유의 일종인 발화나 인화하기 쉬운 유기 용매가 사용되고 있다. 그렇기 때문에 리튬이온 전지에는 수용액계 전지에 비해 훨씬 다양한 종류의 안전기구를 설치해야 한다. 즉 만일의 사고를 방지하도록 해야 하는데, 국내에는 구체적인 기준이 없어 이에 대한 기준 마련이 시급하다.
예를 들어 전지 본체가 고온이 되면 전류를 차단하는 온도 퓨즈, 내부압력이 높아 졌을 때 가스를 외부에 방출하여 파열을 방지하기 위한 가스배출밸브, 저 융점 세퍼레이터 등을 갖추어야 하며, 또 전지 팩, 직렬 전지 조합, 충전기에는 온도 검출 기능, 과충전, 과방전 혹은 대전류 보호 장치나 퓨즈 등의 보호 대책을 세워야 한다. 그러나 가열, 충격, 과방전이나 전해액 누액과 내부 단락이 복합적으로 일어날 경우, 이와 같은 보호 시스템이 그 기능을 하지 않거나 기능을 해도 막을 수 없기 때문에 발화 사고가 일어나는 경우가 있다.
이번 사고 또한 깊이 점검해 봐야 할 부분이다. 여기서 중요한 점은 발화 사고를 일으키지 않도록 제조 불량이 나오지 않게 하는 것을 포함해, 불량품이 있다 하더라도 발화에 이르지 않도록 설계를 해야만 한다.
참고로 일본의 JIS에서는 리튬 이온 전지의 단전지 및 직렬 조합전지의 안전성을 보장하기 위해서 만일 제조공정에서 금속의 미세 분말이 전지 내에 혼입되어도 내부 단락에 의해 발화하지 않도록 안전성 확인을 위한 내용을 규정하고 있다.
◑ 리튬 이온전지의 문제점
코발트산리튬은 전지를 조립한 상태에서 방전상태이고, LiCoO2의 조성으로 된다.
충전을 하면 리튬이 이탈하여 방전가능 상태가 되는데, 이상적으로는 리튬이 전부 이탈하여 LioCoO2가 되면 좋으나, 리튬을 0.5 또는 0.4 이하까지 충전하면 코발트산리튬 결정구조가 깨져서 충방전이 불가능하게 된다. 따라서 충전 가능영역에서 컨트롤해야 한다. 그렇기 때문에 전지 본체에 보호회로를 설치하여, 설정전압 이상에서는 충전되지 않도록 해야 한다는 문제점을 가지고 있다. 즉 리튬이 양극으로부터 음극으로 이동하면서 리튬과 카본과의 관계에서 덴드라이트가 되는데, 이 때 내부단락에 의한 사고가 생기게 되는 것이다. 그렇게 때문에 반드시 전지 각각에 과충전과 과방전의 보호회로가 있어야 하고 온도 상승을 방지하는 PTC 소자를 장착해야 한다.
■ 사고 후
당연히 사고가 발생되지 않도록 해야 하지만 사고가 발생한 후에는 어떻게 해야 하는가.
◑ 발전원으로서의 대책
단락사고나 지락사고, 그리고 화재가 발생된 경우, 이를 사고로부터 완전히 분리 하지 못하고 지켜만 봐야하는 구조를 개선해야 한다.
▷ 비접지식 선로의 지락 보호
승압용 변압기와 PCS사이 비접지계통에서 시스템 보호를 위해 전력계통에 GPT를 사용하게 되는데 이 방식으로는 ESS의 PCS와 배터리사이의 DC(직류) 계통 지락 사고를 검출하지 못한다는 점이다. 국내의 경우 ESS 시스템에 GPT를 사용하여 64(Ground Protective Relay) protection function을 사용 하고 있으나, 이를 적용 시 GPT에 의한 64(Ground Protective Relay) protection function은 ESS의 DC 계통의 지락검출과 보호가 안 된다. 또한 GPT Fuse 소손으로 계전기 기능이 상실되는 문제점과 높은 noise 전압에 의하여 SPD 열화로 사고가 발생 될 수 있으며, 높은 Common mode 전압에 의한 BMS 통신 에라 발생과 높은 Common mode 전압에 의한 취약계통의 절연파괴 등의 문제점도 있다. 이를 해결하기 위해서 반드시 DC 선로에 지락이나 누설전류 발생 시 이를 경보하는 장치나 상시 감시하는 장치를 해야 한다. 만약 선로에 이상이 발생 시 사고가 확산되기 이전에 해당 선로를 철저히 점검을 해서 대형 사고를 사전에 방지해야 한다.
▷ 화재 발생 시 소화대책 미비
일단 화재가 발생하게 되면 소방관이 현장에 도착하더라도 전소될 때까지 특별한 소화 활동을 못한다는 점이다. 지금까지 화재는 대부분 옥외에 설치된 장소에서 발생되었기 때문에 인명피해와 건축물 등의 대형 화재로 번지지 않았다. 하지만 건축물에 ESS를 시설할 경우 ESS의 화재사고는 대형 화재로 인한 재산 및 인명피해로 연결될 수 있다는 점이다.
앞에서 설명한 내용과 같이 태양광발전이나 배터리 구성이 유사하여 그 자체가 발전원이기 때문에 한번 단락 사고나 지락 사고 등이 발생하면 전원을 OFF할 수 없다는 점이 가장 핵심중 핵심이다. 즉 발전원이 스스로 완전히 소멸할 때까지 기다릴 수밖에 없다는 특징을 가지고 있다. 특히 직류의 경우 0점 차단이 안되기 때문에 아크 길이도 길고 접속반이나 중간에 전선을 절단 하더라도 양단에 전원이 계속 공급되기 때문에 화재 사고 등과 같이 발생된 사고는 전소되거나 전단의 인버터나 PCS까지 대형 사고로 확대 될 수 밖에 없다. 이를 방지하기 위해서는 반드시 DC 계통을 상시 감시하여 사전에 사고를 방지하는 설비를 갖추어야만 한다.
▷ 전기실, 축전지실 소방설비
소방시설 설치 유지 및 안전관리에 관한 법률 제9조와 동법 시행령 제15조에 규정하고 있는 바닥면적 300㎡ 이상 시 전기실, 발전기실, 축전지실, 전산실은 전역배출방식인 가스계 소화설비의 설치를 의무화 하고 있다.
그러나 전기실이나 축전지실 화재 원인을 보면 설비의 특성상 전선의 피복, 절연유 등의 자체 연소 가연물을 가지고 있으며, 주변의 산소와 여기에 전기적인 에너지원이 결합해 전기화재가 발생하게 된다. 전기화재는 발화원별로 보면, 과전류에 의한 화재, 단락에 의한 화재, 누전에 의한 화재, 접촉부의 과열에 의한 화재, 배터리의 경우 내부 환경에 의한 화재, 낙뢰에 의한 화재 등이 있다.
전기실 내 큐비클 등 판넬 내부에서 화재가 발생 시 감지기에 의한 조기 발견이 지연되고 아울러 모든 가스계 소화설비 감지기는 교체회로 방식으로 열감지기와 연기감지가 같이 동작해야만 소화약제가 방출되어 진다.
그러나 전기실 화재의 특성을 보면 판넬 내부에서 화재가 발생해 연기가 상부로 올라가서 연기감지기가 먼저 동작하고 이후 화재가 진화되어 전기실 내의 온도가 상승되면 열감지기가 동작되어 소화약제가 방출된다. 또한 소화약제가 방출된다 하더라도 소화약제가 판넬 내부까지 급속히 침투가 어려워 감지와 소화약제로 인한 초기 진압 실패로 전기실 내 수배전반 소손으로까지 이어지며, 내부화재를 완전히 진압하기 어려운 구조를 가지고 있다. 또한 소화약제가 방출되더라도 앞에서 설명한 내용과 같이 배터리 자체가 발전원이기 때문에 약간 지연될 수는 있겠지만 완전 소화는 불가능한 상태라는 점을 인식해야 한다.
그렇기 때문에 사전에 DC 서로를 상시 감시하는 장치를 반드시 설치해서 사전에 사고를 방지하여야 한다. 참고로 10여 년 전부터 미국 등에서는 전기 판넬 내부에 소화설비를 직접 설치할 수 있는 장비들을 출시하고 있다. 이 시스템은 소화액이 가압되어 충전된 용기와 온도감지형 튜브를 전기 판넬 등 내부에 설치하고 화재가 발생하면 화염이 직접 튜브에 접속되어 초기 발화 시 화재를 진압할 수 있는 자동식 소화 장치들을 적용하고 있는데 대형 ESS 시스템에도 적극 도입해야 한다.
참고로 선진국에서는 가스 소화설비가 설치된 구역에서 신속히 대피와 위험 환경의 유입방지, 인명의 신속한 구조 등을 위한 안전수칙을 마련하고 있다.
미국 NFPA(NFPA 12, 12A), 미국 국토안보부(DHS), 프랑스 소화설비 규정인 APSAD R13 등에서 규정하고 있다.
■ 결론
3회에 걸쳐 현황과 문제점 그리고 그 대책에 대하여 정리해 보았다.
현재 발생되고 있는 다양한 사고에 대하여 모두 동일한 대책이 될 수는 없을 것이다. 하지만 가장 시급한 문제점을 공통으로 지적하고 그 대책을 제시해 보고자 했다.
현재 산업부와 제조사 등 관계 기관에서 원인을 분석중이라는데 본 내용이 조금이라도 도움이 되었으면 하는 마음이며 다음과 같이 정리하고자 한다.
◇ 대용량으로 에너지밀도를 높인 이유와 그에 대한 안전 대책은 있는가. |
이 모든 사항을 해당 용역회사 기술사의 기획아래 설계와 감리를 할 수 있도록 관련 규정을 강화해야 하고, 또한 한국전기안전공사의 사용전검사를 위한 상세한 검사규정(배터리까지)과 매뉴얼을 만들어서 검사 시 철저하게 검사를 하여야 한다.
다시 한번 강조하지만, 보호회로 기능으로서는 전지 군별로 이상감시기능(과전류 감시, 과전압감시), 단전지의 이상감시기능(과충전감시, 과방전감시, 온도이상)을 두고, 각 단전지간의 전압의 차이를 억제하여 과충전과 과방전을 방지하는 셀 밸런스 기능도 필요하며, 특히 DC 선로의 절연감시장치를 두고 상시 감시할 수 있는 장치를 두어야 한다. 그리고 마지막으로 공조시스템과 소화설비 시스템이다.
이런 ‘개념설계’역량은 교과서나 논문에서는 배울 수 없는 경험을 통해서 축적된 무형의 지식과 노하우가 뒷받침되어야 한다는 것이라는 데 있다.
ESS를 다루는 일부 영업회사에서는 너무 쉽게 접근하고 있다는 점도 지적하고 싶다. 기술적인 사항보다는 단순 경제성 평가나 가격, 용량 등을 이야기 하는 것이 마치 기술적인 것처럼 보여서는 안된다는 것이다.
우리 스스로 시행착오를 전제로 도전과 실패를 거듭하면서 축적하지 않고서는 얻을 수 없는 창조적 역량이다.
그동안 우리 산업이 압축 성장 과정을 거치면서 스스로 경험을 축적하기 보다는 선진국으로부터 개념을 받아 온 후 실행하는 것에 지나치게 익숙해져 왔고, 그 모델이 한계에 부딪히면서 지금의 현상들이 발생하고 있는지 모른다.
화재 현장을 직접 둘러보지 않고 문제점과 대책을 쓰다 보니 현장과 일부 맞지 않는 부분도 있을 것으로 생각한다. 하지만, 이론과 실무 경험을 바탕으로 평상시 문제점으로 생각하고 있었던 부분을 정리한 것이므로 다소 거리가 있을 수 있음을 전재로 한다.
이제는 모든 전문가가 머리를 맞대고 이번 화재 사고를 원인부터 분석하고 이를 신속히 해결할 수 있기를 기대하면서 이 글을 마무리하고자 한다.
이순형 기술사/ SG그룹 대표이사.
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