1. 머리말

원시인의 생활이 불의 발견으로 크게 변화했듯이 전기에너지는 우리의 생활을 더욱 풍요롭고 편리하게 하였다. 전기에너지는 수력, 화력, 원자력 등을 비롯 풍력, 조력, 태양광, 파력, 바이오에너지 등 전세계적으로 신재생에너지의 개발과 함께 무척 다양화 되었다. 이와 같은 많은 종류의 에너지 발생원에 따른 전기는 생산과 소비가 동시에 이루어지는 특성이 있다. 때문에 소비되고 남는 전기에너지는 버려질 수밖에 없는데 이를 효율적으로 사용하는 것은 매우 중요하다. 생산되었으나 소비되지 않고 남는 에너지를 저장하여 사용하는 것은 어느 나라나 숙원사업으로 이제까지의 전지나 축전지보다 용량을 크게 한 것이 에너지 저장장치(ESS)이다.

특히, ESS는 잉여전력을 저장하여 필요할 때 사용할 수 있도록 하는 장치 중 용량이 크기 때문에 전력 사용량이 적은 심야시간대에도 발전소 생산전력의 일부로 사용할 수 있다. 이에 따라 신재생에너지 발전소의 불안정한 생산전력을 저장한 후 안정되게 전력을 공급한다던가, 지방 소도시나 산악지역의 낙후된 전력 인프라 및 전기의 품질저하를 대비하여 안정된 전력을 공급할 수 있다. 그럼에도 ESS에서 화재가 많이 발생되어 피해가 증가하고 있다. 따라서 ESS의 안전관리 문제점과 제도개선 시 필요사항에 대하여 알아보고자 한다.

2. ESS와 안전사고 현황

가. ESS

(1) 종류

(가) 배터리 방식

① 리튬이온(LiB:Lithum-ion) 이용 : 양극/음극간 리튬이온 이동에 의해 저장한다, 고가이며 대용량셀이 곤란하나 고에너지밀도로 전기를 저장할 수 있다.

② 나트륨황(NaS) 이용 : 용융상태의 Na과 S의 반응으로 전기를 저장한다. 저비용으로 대형셀 적용이 가능하며 고에너지밀도로 전기를 저장할 수 있으나 고온작동의 우려가 있다.

③ 레독스프롬(RFB) 이용 : 전해질 내 중심금속이온의 전자수수반응으로 전기를 저장한다. 저비용으로 대용량화가 용이하고 출력과 용량을 독립적으로 설계할 수 있으나 에너지밀도가 낮다.

④ Super-capacitor 이용 : 이온이 전극표면에 전기화학적 흡착으로 저장된다. 안전성이 높으나 고비용이 소요되며 저에너지밀도로 고출력을 얻을 수 있다.

⑤ 납축전지 이용

(나)비배터리 방식

① 압축공기저장장치(CAES) 이용 : 공기를 고압으로 압축하여 지하에 저장한다. 저에너지밀도이지만 저비용으로 대규모 저장에 유리하다.

② Fly-wheel 이용 : 회전운동에 의해 저장한다. 저에너지밀도로 고출력으로 할 수 있으나 대용량이 어렵다.

③ 양수발전 이용

(1) 구성

[그림 1]은 LiB를 사용한 전기저장장치의 구성 예로 각 부분의 역할은 다음과 같다.

(가) EMS(Electric Management System) : 전력계통을 감시 및 연계하고 운영 제어 한다.

(나) PCS(Power Conversion System) : AC-DC변환하고 전력품질을 제어한다.

(다) BMS(Battery Management System) : 축전지의 전압, 전류, 온도등을 감시하여 배터리를 보호하고 PCS와의 통신을 통해 배터리를 제어하고 관리한다.

(라) B(Battery) : 축전지이다. 주로 리튬이온형식을 사용한다.

나. 안전사고현황

2018년 12월 31일 기준으로 ESS수용가 약 1,490곳 중 2017년~2018년의 소방청 통계를 보면 ESS화재는 총 17건이 발생하였다.

총 17건의 화재발생 중 발전과 연계된 것이 가장 주류를 이룬 12건, 조정용이 2건, 전력피크용이 3건이다. 용량별로는 다양하여 ESS의 규모별 확인이 필요하고 화재원인은 아직 대다수가 조사 중에 있다. 화재원인으로는 EMS오류 추정이나 온도상승, 작업자의 부주의 등이 있으나 기준 마련에 필요한 ESS시스템과 배터리, 건축물, 경보 및 소화설비, 매뉴얼에 대하여 검토한다.

3. 문제점 및 개선 시 필요사항

문제점에 대해서는 많이 있겠지만 ESS시스템, 배터리의 제작과 관리, 설비 운영관리와 화재경보 및 소화설비의 적정설치, ESS가 설치되는 건축물, 일상 및 정기점검 매뉴얼에 필요한 사항들을 적시하는 바 이를 제도 마련시 반영하면 될 것으로 생각한다.

가. ESS시스템

[그림 2]는 설비 단선도의 한 예이다. [그림 2]에서 EMS, PCS, BMS, 배터리 상호간 설치되는 안전장치에 대한 신뢰성이 확보되지 않고 있어 책임한계가 명확하지 않으므로 이에 대한 사항과 다음 사항에 대한 기준이 필요하다.

(1) AC계통측의 저전압 또는 과전압으로 인한 고장과 PCS와 BSC간 통신고장 또는 배터리 통신 고장시에 대한 문제를 인식하여야 한다. 또한 조작시 PCS GP화면 고장상태를 복구할 경우 그 대상도 지정하는 것이 바람직하다.

(2) 인버터의 기능테스트 및 EMS와 인버터간, BMS와 인버터간의 통신상태 확인

(3) UPS의 입출력전압 상태확인(LED), 접속단자 조임 및 발열상태와 부하운전상태 등을 확인(ATS절체)할 수 있는 기능에 대한 사항

(4) 조작시 PCS GP화면 고장상태를 복구할 경우 운영자측에서 RESET할 것인지 제작사측에서 할 것인지에 대한 사항

(5) 각 부분간 접촉장치와 안전장치 관계에 대한 상호간 작용할 수 있는 회로시스템이 적정한지에 대한 확인 사항.

나. 배터리의 제작과 관리

(1) 셀, 모듈 자체의 문제는 없는지 확인하고 현재 배터리 자체에 퓨즈와 프로텍터가 구비돼 보호장치로의 역할을 하고 있지만 외부충격이 발생했을 때 적절히 작동하고 있는지, 보호장치로 충분한지에 대해 검토하여 반영해야 한다.

(2) 배터리 외부로부터의 비정상적인 충격인 전압, 전류 발생 시 외부 서지에 견딜 수 있는 수준을 설정하여 반영한다.

(3) UPS의 입출력전압 상태확인(LED), 접속단자 조임 및 발열상태와 부하운전상태 등을 확인(ATS절체)할 수 있는 기능에 대한 사항

(4) 전기회로 화재가 배터리로 확산되어 피해가 커질 수 있으니 전기회로와 배터리 간 화재차단시설이 필요하다.

다. 설비 운영 관리와 화재경보 및 소화설비의 적정설치

(1) 화재발생 당시 작업자가 수동으로 분말소화기를 분사하였으나 진화에 실패하는 경우를 대비한 적정 소화설비 지정이 필요하다.

(2) 화재감지기가 정상동작하여 화재발생 직후 소화약제가 정상 방출되었으나 초기 진화 실패가 있었으므로 소화방법에 대해 정밀확인하여 적용하도록 한다.

(3) 배터리에 의한 화재발생 후 소방관이 물로 소화 작업하였으나 진압 불가한 경우 가 있었으므로 적절한 경보와 소화방법 개발이 필요하다.

라. 건축물

(1) 화재발생 약 50분 후 폭발현상이 발생한 경우가 있다. 따라서 건물 내부 폭발 시 인명피해 우려가 있으므로 폭발방지대책 외에 컨테이너 등 폭압방출시스템이 필요하다.

(2) ESS용 가건물 건축 시 화재취약구조인 샌드위치판넬 사용 등은 많은 화재로 증명되고 있으니 강력한 규정과 화재차단시스템을 갖도록 하여야 한다.

(3) 리튬이온 배터리 화재발생시 소화가 불가한 경우도 있으니 건물 내부에 설치된 ESS별로 소화구획이 필요하다.

마. 일상 및 정기점검 매뉴얼

일상 및 정기점검 매뉴얼이 없으므로 이에 대한 건축물 및 그림 3.과 같이 ESS 설치장소 내부에 대한 사항(온도, 습도, 환기, 경보 및 소화시스템 설치 등)과 시스템에 대한 간단한 점검과 정밀한 점검으로 분류한 매뉴얼이 작성되어야 한다. 이 때 다음을 참고한다.

(1) PCS 및 컨테이너 점검 사항
육안검토사항으로는 인버터 외관상의 이상유무나 온도, 습도, 먼지, 부식, 이상진동 등과 통풍구, 환기필터 상태, 내부청결상태 및 동작상태

(2) 계통(출력측), 입력(배터리), 변압기, 변환부, 접지선, 인버터 내부 제어선, 조작전원의 체결상태

(3) Switch Hub와 자동소화장치, 환경감시장치, HMI, CCTV, 공조장치 등에 대한 점검사항

4. 맺음말

우리가 많은 시행 착오를 겪었으면서도 반복되고 있는 것이 화재안전에 대한 의식부족이다. 그러나 다행히도 이번 ESS 산업이 시작되면서부터 화재가 발생되어 문제를 해결하고자 하는 것은 매우 다행스런 일이다. 앞으로 ESS 통합 시스템 제어에 관한 부분, 배터리부분, 설치운영 관리부분, 화재경보 및 소화설비 설치부분, 운영 및 점검매뉴얼의 실제, ESS 저장 건축물에 대한 기준과 화재관련 부대시설에 대한 제도적 보완이 이루어지길 기대한다. 그러면 ESS산업이 신산업 성장동력원으로서 경제와 나라를 위해 큰 역할을 할 것으로 기대한다.