1. 머리말

에너지저장장치 ‘ESS(Energy Storage System)’ 사업은 신재생에너지 시대 핵심 사업으로 불린다. 말 그대로 ESS가 에너지를 저장하는 창고 역할을 하는 장치이기 때문이다. 상용화되고 있는 ESS는 전력을 저장해 뒀다가 필요할 때 공급하는 전력 이용 효율을 높여주는 시스템이다. 이를 통해 전기요금이 저렴한 시간대의 전력이나 신재생에너지를 사용하고 남는 전력을 저장해뒀다가 필요할 때 언제든 사용할 수 있다. 에너지를 아무리 많이 생산해도 이를 저장할 수 있는 장치가 없다면 필요할 때 활용할 수가 없다. 에너지를 저장했다가 사용할 수 있는 ESS는 신재생에너지 발전에 필수적인 존재다.

전 세계적으로 ESS 시장은 수요가 가파르게 상승 중이다. 시장조사업체 SNE에 따르면 글로벌 ESS 시장은 2018년 11.6GWh 규모에서 2025년 약 86.9GWh로 연평균 33%가량 성장이 전망된다.

[그림 1] 전 세계시장의 ESS용 베터리 전지 수요전망 (출처: SNE리서치)

국내 업체 중에서는 삼성SDI가 2010년 ESS 사업을 시작한 이후 2018년 말 기준 전 세계 50여 개국에 약 10GWh 이상의 ESS를 설치하며 글로벌 영토 확장에 나서고 있다1).

하지만 국내 시장은 2018년 대비 2019년 현재 30% 줄어들 것으로 예상되었다. 이러한 요인은 연이은 ESS 화재사건으로 시장 전체가 침체되었기 때문이다. 본 연구에서는 국내의 ESS 화재 사례들을 분석하고 기준 개발의 수준 및 동향에 대해 살펴볼 예정이다.

2. 화재사고 현황

ESS 화재사고는 2017년 화재 이후 현재까지 총 28건이 발생하였다. 발생 위치는 전국적으로 다양하게 분포되어 있다. 사고유형도 다양하나 충전 중인 경우가 가장 많았다. 배터리 용량에 따른 화재 위험성을 파악해 볼 때 1MWh 이하 용량에 해당하는 에너지저장장치 설비는 전체 설치 개수의 절반 정도를 차지하지만, 사고 건수는 1건으로 배터리 용량이 낮은 설비에서 화재사건 발생 확률이 낮다고 볼 수 있다. 1MWh 초과 5MWh 이하 용량 범위에서 특히 화재발생 건수가 많이 발생하였다[표 1].

[표 1] 에너지저장장치(ESS) 화재사고 현황

[그림 1] ESS 화재 발생 위치

용도별 화재 발생 건수를 살펴보면 태양광 연계 용도의 에너지저장장치 설비 화재가 18건으로 가장 높은 비중인 64.3%를 차지하지만, 국내 설치된 에너지저장장치 중 약 50.2%가 태양광 연계용도임을 감안하면 태양광 연계 용도의 에너지저장장치가 특별히 위험하다고 단정 지을 수 없다. 또한 피크저감 용도의 에너지저장장치 설비는 설치 수량 대비 화재 건수가 적다(화재사건 비중은 약 14%, 설치 비중은 약 43%). 풍력 연계, 주파수 조정용 에너지저장장치의 화재사건 빈도가 설치 수량 대비 많지만 사건 수가 적어 유의미한 경향성이라고 보기 어렵다2).

충전율의 영향을 살펴보면 대부분의 화재사례에서 95% 이상 충전율로 추정 및 확인된 경우이다. 따라서 배터리 충전율이 높은 상태일 때 화재 발생 위험이 높다고 추정할 수 있고, 과충전이 화재를 발생시켰을 가능성을 배제할 수 없다.

2019년 1월까지의 화재 21건에 대한 분석에서 ESS 화재 발생 사실을 인지하게 된 경로는 인적감지가 많은 수를 차지하였다. 특히 이 숫자에는 작업도중 발생한 상황과 외부에서의 화재사실 신고로 알게 된 경우를 포함하고 있다. CCTV를 통해 알게 된 상황도 인적감지에 포함해야 한다. 이에 비하여 화재감지기나 ESS 자체 시스템에 의한 경보는 3건에 불과한데 이는 화재감지기를 포함한 자동화재탐지설비가 설치된 대상이 5개소인 것을 보면 전체적으로 화재 사실을 자동적으로 인지하고 알려주는 시스템은 부재한 것을 알 수 있다. 화재 발생 시기는 작업도중 또는 작업 직후가 6건을 차지하고 있고 운영도중 발생한 것이 15건으로서 운영도중이 많지만 작업과 관련된 것도 많은 비중을 차지한다2).

[표 2] ESS 화재 발견 경로 (2017.8～2019.1)

[표 3] ESS 화재 발생 시기

ESS실에 설치된 소화설비는 일관된 기준이 없는 것으로 파악된다. 배터리실에 설치된 자동소화설비의 종류는 (1) 고체에어로졸식 자동소화장치, (2) 캐비넷형 자동소화장치(HFC-125, HFC-227), (3) 청정소화약제설비의 세 가지로 구분되며, 일부 자동소화설비가 설치되지 않은 현장도 있다. 일부 사고 현장에서 청정소화약제설비가 작동한 바가 보고되었으나 효과는 없었던 것으로 판단된다. 또한 초기소화를 위하여 분말소화기가 비치된 현장이 다수 있었으나 분말소화기는 에너지저장장치 화재 시 적응성이 없어 관계자가 소화기로 초기 진화를 하는데 어려움이 있었다.

일반적으로 에너지저장장치 설비는 별도의 컨테이너, 샌드위치 판넬 건물 등에 설치되어 소화용수 공급이 어려워 초기 화재진압 설비인 옥내소화전이 설치되지 않았다. 화재 현장 중에서도 하나의 현장에서만 유일하게 옥내소화전 설비를 갖추고 있었으며, 이는 건물 내에 설치되어 다른 다수의 설치 현장과 다른 특수한 경우였음을 확인할 수 있다. 화재 감지를 소화설비와 연동을 위한 교차회로방식의 화재감지기가 설치되었으나 리튬이온 배터리의 연소특성상 연기 또는 열의 감지단계에서는 이미 화재가 성장하여 소화약제가 방사되더라도 화재를 진압하지 못하는 것으로 추정된다. 일부 현장에서는 배터리실의 화재폭발로 인하여 고정식 소화장치가 물리적 충격을 받아 소화약제 저장용기가 전도되는 현상이 발생하여 고정방식에 대한 검토가 필요하다. 배터리실의 화재 예방을 위해서는 연기발생 이전에 화재위험을 감지하여 초기 대응방안을 마련하거나 화재 발생 시 적응성 있는 소화약제를 개발하여 성능시험기준 마련 및 국가 공인시험기관의 성능인정을 실시하여 법적 적응설비로 설치할 필요가 있다.

NFPA(National Fire Protection Association, 미국방화협회) 보고서에서는 1999년부터 2013년간에 미국에서 1,014 건의 배터리 관련 화재가 발생하였고 ESS 화재방호를 위한 신개념의 화재감지 및 진압기술 개발이 필요하다고 강조하고 있다.

[표 4] ESS 화재 발생 시기

ESS는 전력저장원(배터리), 전력제어장치(PCS, Power conversion system), 에너지관리시스템(EMS, Energy management system) 등으로 구성되며, 이중 전력저장원인 배터리가 가장 화재에 취약한 부분이다. 그러나 리튬이온 배터리의 화재폭발 방호대책에 대한 기술개발은 국내·외에서 매우 미흡한 상황이다.

결과적으로 볼 때 ESS 화재의 경우 조기감지가 힘들어 초기 대응 및 진압 실패가 연소확대로 연결되었다. 이는 ESS 배터리는 리튬이차전지로 에너지 밀도가 높기 때문이며, 이로 인하여 기존 화재소화설비(가스계, 에어로졸)로는 진화 실효성이 떨어진다고 판단되고 있다.

3. 국내 ESS 화재사고 조사 주요 내용

사고발생 장소, 제조사 등은 정보공개에 한계가 있어 화재 조사내용을 중심으로 아래의 표와 같이 정리하였다.

4. 기준 개발의 수준 및 동향

ESS 관련 안전대책에 대한 기준개발은 미국을 중심으로 진행되고 있다. 미국은 리튬이온배터리를 중심으로 시설에 대한 화재안전기준 수립을 위하여 노력하였으며, 현재 다음의 기준들3) - 6)을 개발하여 제공하고 있는 상황이다.

IFC 1206, NFPA 855, FMDS 0533에서는 수계소화설비, 특히 스프링클러설비의 설치를 요구하고 있다. IFC 1206과 NFPA 855 모두 NFPA 13의 규정에 따라 스프링클러설비를 설치할 것을 요구하며, NFPA 855와 FMDS 0533은 공통적으로 살수밀도 12.2 mm/㎡을 규정하고 있다. 수계 소화설비 요건은 NFPA 855가 가장 상세한 편으로, 스프링클러설비 외에도 수원이 설치될 것, 소화전이 설치될 것, 배터리/셀 보관실에는 물분무소화설비를 설치할 것을 요구하고 있다.

수계 소화설비가 아닌 모든 소화설비를 대체 소화설비로 간주할 때 IFC 1206과 NFPA 855에서는 대체 소화설비에 대한 상세 요건을 제시하지 않고 있으며, 단지 대체 소화설비를 설치할 수 있는 상황만 기술하고 있다. IFC 1206에서는 배터리가 물과 반응하여 위험이 발생하는 경우에 대체 소화설비의 설치를 고려할 수 있다고 설명하지만, 구체적으로 어떤 소화설비를 사용할 지에 대해서는 기술하지 않고 있다. NFPA 855 또한 대규모 화재시험의 결과를 토대로 설치를 고려해야 한다고 설명할 뿐이며, 구체적인 소화설비에 대한 내용은 없다.

해외 각 기준에서는 연기감지기의 설치를 요구하고 있으며, 특별히 구체적인 요구사항이 없고 IFC section 907.2, NFPA 727), FMDS 0548 등 기존의 자동화재탐지설비 기준을 적용할 것을 규정하고 있다. IEC 62933-5-28)에서는 화재 감지 시스템, 청각 경보 및 시각 신호를 이용하는 화재경보기를 설치할 것을 요구하고 있으며, 수신기에 신호 위치를 전송할 것, 연동되는 소화설비의 작동을 개시할 것이 규정되어 있다.

[표 5] 에너지저장장치의 설치 및 유지관리에 대한 해외 기술기준 주요 내용

5. 맺음말

ESS는 국가 기간산업인 전력산업의 필수 요소로 신재생에너지 도입 정책에 중요한 부분이며, 세계적으로 성장하는 시장에서의 선도적인 제품 개발을 통한 국가경쟁력 향상을 위해서 화재에 대한 확실한 대책과 시스템적 대응 수단을 가져야 한다. ESS에 사용되는 리튬이온전지의 에너지 밀도가 매우 높아 화재를 조기에 발견하고 제어하지 못하면 대규모 피해가 발생될 수 있다. ESS 설치장소에 대한 화재대응 규정은 국내 및 해외에서도 제개정 되고 있는 실정으로 국내에서도 전기저장시설의 화재안전기준에 대해 입법예고 하였다. 논의된 화재사례 및 해외 규정들을 참고하여 국내에 설치되고 설치예정에 있는 ESS 시설에 안전성이 빨리 확보되어 신재생에너지의 핵심사업으로 역할을 기대한다.

참고문헌