1. 머리말

전 세계적으로 태양광과 풍력 같은 신재생에너지는 기후변화에 대응하는 중요한 수단으로 고려되어 낮은 경제성에도 불구하고 꾸준히 보급되었다. 이러한 추세에 발맞추어 정부는 2017년 「재생에너지 3020 이행계획」에서 태양광과 풍력을 각각 30GW, 16GW 증설한다고 발표했다. 태양광 및 풍력과 같은 자연에너지의 단점은 날씨와 계절 등 환경 조건에 따라 에너지 생산량이 급격하게 변동되어 안정적인 전력 공급이 어렵다는 점인데, 이러한 점을 보완할 수 있는 것이 에너지저장시스템(Energy Storage System, 이하 ESS) 이다. 여기서는 신재생에너지의 전망과 재생에너지의 보급에 따라 증가할 것으로 예상되는 ESS의 위험관리기준 동향에 대해 알아보고자 한다.

2. 에너지 정책 동향과 ESS 보급

가. 글로벌 에너지 정책 동향

원전을 줄이고 재생에너지를 늘리는 것은 [그림 1]에서 볼 수 있듯 세계적인 추세다. 2011년 후쿠시마 사고 발생 이전부터 OECD를 포함한 전 세계 원전 발전 비중은 감소 추세였다. 최근 몇 년 사이 우리나라에서 발생한 경주지진, 포항지진 등으로 인해 안전한 에너지원에 대한 국민의 관심도 많이 증가하고 있다. 우리나라는 국토면적 대비 원자력발전소 수가 세계 최고 수준인 원전 밀집 국가다.1) 환경 관점에서도 에너지전환은 중요하다. 미세먼지의 발생은 화석연료와 밀접하게 관련돼 있다. 오염물질을 배출하지 않는 재생에너지로 석탄발전을 대체하는 것이 미세먼지 문제의 중요한 해법으로 제시되고 있다.

나. 국내 에너지 정책 동향

한국에너지공단의 신재생에너지 보급통계 자료를 참조하면, 2017년 국내 신재생에너지 생산량은 16,448천toe(tonne of oil equivalent)로 전년 대비 16% 증가했다. 신재생에너지는 [그림 2]와 같이 지속해서 그 비중이 높아지고 있는 것을 확인할 수 있다.

[그림 3]과 같이 정부의 신재생에너지 보급 목표를 보더라도 태양광, 풍력 등의 신재생에너지 보급 목표가 기존 대비 현격히 높은 것을 확인할 수 있다.

다. ESS 보급

태양광과 풍력 에너지의 가장 큰 단점 중 하나가 환경 조건에 따라 에너지 생산량이 변동되므로 에너지 수요량에 따라 시시각각 발전하는 것이 불가능하다는 것인데, 이러한 단점을 보완할 수 있는 장치가 ESS이다. ESS는 에너지를 저장하여 공급과 수요 시기의 불균형을 보완하여 전력 계통의 유연성을 제공한다. ESS에는 전통적인 에너지 저장 방식인 납축전지, 양수발전, 플라이휠 방식뿐만 아니라 상대적으로 최신 기술인 리튬이온배터리, 플로우 배터리 방식 등이 있는데, 우리나라는 이 중 에너지효율이 높고, 배터리 제조기술에 대한 강점을 가지고 있는 리튬이온배터리 방식에 대한 정책적인 지원 등을 통해 보급을 확대해 왔다.

3. ESS 국내화재

가. 사고 현황

ESS 중 리튬이온배터리를 이용한 방식은 에너지 밀도가 우수하지만 화재위험은 높은 편인 것으로 알려져 있다. 국내 리튬이온배터리 방식의 ESS 화재는 2017년 8월부터 2019년 10월까지 총 28건 발생했으며, 화재가 발생한 ESS는 모두 리튬이온배터리 방식이다. ESS 화재는 2018년도에 집중적으로 발생해 이에 대한 원인을 분석하고 대책을 마련하기 위해 민간합동 ESS 화재 사고 원인조사위원회가 구성되었다. ESS 화재 사고 원인조사위원회의 안전강화 대책은 2019년 6월 발표되었으나, 발표 이후에도 추가로 화재가 발생했다. 민간합동 ESS 화재 사고 원인조사 위원회의 발표 자료와 보도 자료를 참조하여 국내 ESS 화재 사고 현황을 <표 1>과 같이 정리해 보았다.

나. 사고 분석

국내에 설치된 1,500여 개 ESS 설비 중 약 절반은 태양광 연계 ESS 설비이며, 그다음으로 약 40%를 초과하는 ESS 설비가 피크 저감을 목적으로 설치되었다. 2017년 이후 국내에 설치된 ESS 설비 약 1,500개소 중 약 1~2%의 ESS에서 화재가 발생한 것으로 나타났으며, 그 중 특히, 태양광 연계 ESS에서 화재 발생 비율이 높은 것으로 나타났다. 피크 저감을 목적으로 설치된 ESS 설비의 경우 용량이 큰 경우가 많으며 화재 안전에 투자된 시설 수준이 높아 화재빈도가 다소 낮은 것으로 나타났다. ESS 설비의 배터리 용량이 1MWh 이하인 경우 사고 확률이 낮으며, 1MWh 이상 설비에서는 배터리 용량이 클수록 사고 확률이 소폭 증가하는 경향이 확인되었다.

(1) 초기 진화 실패

국내 ESS 설비에는 주로 가스계소화설비가 설치되어 있거나, 규모가 작은 경우에는 자동식소화장치, 소공간 소화장치 등이 설치되었다. 기존의 소화약제의 경우 ESS 화재에 적응성이 없어서 자동소화설비가 작동하더라고 초기 진화가 어려우며, 소화기 등을 활용한 관계자의 초기 진화가 어렵다. 또한 일부 ESS 설비는 무인 관리되어 화재 인지 후 비상대응까지 시간이 상당히 걸리며, 태양광 연계 ESS 설비 등은 소방서가 원거리에 위치하고 진입로가 비포장도로이거나 협소해 진입에 어려움이 있어 소방대원 도착 시 화재가 최성기에 들어선 상태인 경우가 있었다. 국내에 ESS 화재사고가 발생한 초기에는 소화활동에 참여했던 소방관 및 비상대응 관계자들이 리튬이온배터리의 폭발을 두려워해 주수소화 등 적극적인 소화활동을 전개하지 못했다. 추후 주수소화로 인한 ESS 설비의 폭발이 발생하지 않음을 인지하고 적극적인 소화활동을 전개하고 있으나 화재 최성기 이후에는 ESS 화재 진압이 어려운 경우가 많았다.

(2) 급격한 연소 확대

리튬이온배터리는 연소 가스 및 연기가 발생하고, 열 폭주 발생 및 급격히 연소하는 특성이 있으며, 화재 진압 후에도 내부 에너지로 인해 재발화하는 특성을 갖는다. 특히 배터리가 랙 구조로 층층이 쌓이어 있어 발생하는 열이나 화염이 인접한 배터리로 빠르게 전달되며, 배터리 간격이 좁아 소화약에 침투가 어려워 연소가 급격히 확대된다. 샌드위치 패널 건물의 경우 패널 재질을 통해 연소 확대가 발생하기도 했다. 또한, ESS가 설치된 공간의 가연물에 의한 연소 확산이 이루어지기도 하였다. ESS 화재 시 상당한 열량이 방출되며 전실 화재 현상(Flashover)이 발생하는 경우가 많은 것으로 나타났다. 또한, ESS 화재 시 발생하는 폭발로 인해 패널 구조물이 붕괴하거나, 콘크리트 건물도 강한 폭발로 인해 개구부가 생긴 사례도 확인되었다.

(3) 장시간 화재 지속

국내 ESS 화재가 발생한 대다수의 경우 1시간 이상 화재가 유지되는 것으로 나타났다. 또한 6시간 이상 화재가 유지된 사고도 다수 있었다. 화재 진압 활동, 소화 설비 등 여러 가지 조건에 따라 다르게 나타날 수 있으나, ESS 배터리 용량과 화재 유지 시간과의 상관관계를 분석해 보면 배터리 용량이 큰 시설의 화재에서 더 긴 시간 화재가 유지되는 것으로 분석되었다. 즉, 배터리 용량이 크면 화재 진화 시간이 길게 소요될 확률이 높아 배터리 용량이 화재 발생 위험 및 화재 양상에 미치는 영향이 있다고 추정할 수 있다.

4. ESS 안전관리기준

ESS 관련 안전관리기준으로 화재보험협회에서 제정한 KFS-412와 세계적인 화재 안전기준 제·개정기관인 National Fire Protection Association에서 제정한 NFPA 855 및 국내기준인 전기설비기술기준 판단기준을 정리해 보았다. 해외 선진 안전기준을 주로 참조하여 국내 여건에 맞게 만든 KFS 및 NFPA 기준은 민간 기준으로 자율기준이지만 전기설비기술기준 판단기준은 의무 기준이다.

<표 2>에서는 ESS 관련 안전기준인 KFS-412, NFPA 855 및 전기설비기술기준 판단기준을 주요 내용 위주로 비교한 후 각 기준에 대해 더욱 자세히 알아보았다. 표에서는 KFS-412를 중심으로 비교하여 KFS-412와 해당 내용이 상당히 유사한 경우에는 “○”로, 해당 내용이 없는 경우에는 “–”로 표시하였다.

NFPA 855는 ESS의 설계, 설치 및 유지관리 시 고려해야 할 내용을 언급하고 있다. 이 기준에서는 ESS를 설치하는 장소(옥내, 옥외, 옥상, 주차장, 모바일 등)에 따라 적용 기준을 달리하고 있는데, 국내의 경우 대부분 옥내 또는 옥외에 설치하는 것이 대부분으로 그 내용을 표로 정리했다.

(1) NFPA 855 옥내 ESS 설치 기준

옥내에 ESS를 설치하는 경우는 ESS 전용건물에 설치하는 것과 그렇지 않은 경우로 구분할 수 있으며, 주요 내용은 다음 표와 같다.

(2) NFPA 855 옥외 ESS 설치 기준

옥외에 ESS를 설치하는 경우는 먼 위치에 설치하는 경우(건물, 부지 경계선, 공공도로, 가연성 물질 등으로부터 30.5m 이상 떨어진 위치)와 그렇지 않은 경우로 구분할 수 있다. 참고로, ESS를 건물이 아닌 컨테이너 등의 내부에 설치하는 경우가 옥외에 설치하는 상황에 해당한다.

참고로, 소방청에서 제정 중인 ESS 화재안전기준도 국내외 ESS 안전기준을 참고하여 작업 중에 있다.

5. 맺음말

글로벌 에너지 정책 동향에 따라 태양광 및 풍력의 재생에너지는 점차 확대될 것이다. 태양광 및 풍력 에너지의 단점인 에너지 변동성이 큰 것은 에너지 저장시스템을 활용하여 보완할 것이다. 에너지 저장시스템 중 가장 효율이 높은 방식 중 하나가 리튬이온배터리인데, 다른 방식 대비 화재 위험성이 높다. 국내에는 비교적 짧은 시간에 많은 화재 사고를 겪었으며, 명확한 원인을 찾기 위해 민관이 합동으로 노력해왔다.

리튬이온배터리의 국내·외 안전기준은 사고 예방보다는 피해 경감에 중점을 두고 있다. 리튬이온배터리는 일단 화재가 발생하면, 진압하기조차 쉽지 않다. 모든 사고가 피해를 줄이는 접근 방법보다는 애초에 사고가 발생하지 않는 예방 방법이 더 좋지만, 리튬이온배터리처럼 진압이 어려운 경우 특히 예방에 더욱 많은 노력을 기울여야 한다.

리튬이온배터리 ESS는 제조사가 다른 장치들을 현장에서 조립하는 방식으로 공급되어, 품질관리 및 보증이 상대적으로 어렵고, 화재가 발생하더라도 전소되는 경우가 많아 발화 원인을 밝히기도 쉽지 않다. 장기간에 걸친 리튬이온배터리 ESS 사고로 리튬이온배터리의 위험성은 많은 사람이 인지하고 있다. 확실하지 못한 대응책은 리튬이온배터리 방식의 ESS에 대한 불안감을 가중한다. 다소 시간이 걸리더라도 화재 원인을 명확하게 규명하고 적극적인 대처로 해결해 나간다면, 지금의 위기를 기회로 글로벌 시장의 우위를 선점할 수 있을 것이다.