ESS 폭발사고가 배터리 탓이라고? 배터리도 나름 억울합니다!

ESS 폭발사고가 배터리 탓이라고? 배터리도 나름 억울합니다!

대학생신재생에너지기자단 15기 김민서, 16기 임상현, 19기 김성민, 19기 서명근

 

최근 빈번한 ESS 화재 사고로 인해 국민들의 ESS 산업의 신뢰도가 하락하면서 국내 ESS 시장이 위축되고 있다. 더군다나 이미 폭발하고 난 뒤의 ESS는 폭발 원인을 특정 짓기가 어려워 ESS의 안전성에 끊임없이 의문이 제기되고 있는 상황이다. 이러한 와중에 ESS의 폭발 원인으로 사람들이 가장 잘 알고 있는 것은 배터리 결함이다. 그렇다 보니 이차전지의 안전성에 대한 불안감도 함께 커지고 있다. 하지만 과연 화재사고가 배터리만의 문제라고 볼 수 있을까? ESS 화재 사고의 유력한 용의자로 꼽히는 배터리도 자기 나름대로의 억울한 점이 있다. 그렇다면 배터리 측의 변론을 들어본 후  ESS의 화재 원인을 다시 한번 생각해 보자.

 

아쉬운 국내 ESS, 해외 ESS는?

일각에서는 배터리 문제를 ESS화재의 주요 원인으로 지목될 수 있다고 주장하지만, 국내 배터리가 탑재된 해외 ESS에서는 화재가 발생하지 않고있다. 2020년 조사에 따르면 국내 ESS화재의 원인으로는 단순히 배터리뿐만 아니라 다양한 요인들이 지목되고 있다. 그 요인들에 대해서 살펴보고, 국내와 해외의 ESS 운영 상 안전성에 영향을 줄 수 있는 점들을 비교 분석해 보자.

첫째는 배터리 보호시스템 미흡이다. 이는 과전압, 과전류 등 전기적 충격이 배터리 시스템에 유입될 때 배터리 보호체계인 랙 퓨즈가 단락 전류를 차단하지 못해 성능이 저하된 직류접촉기가 폭발해 화재를 일으킨 경우이다. 

둘째, ‘설치 부주의’는 산지나 해안가에 설치된 ESS가 일교차로 인한 결로와 다량의 먼지 등의 열악한 환경에서 운영되어 셀과 모듈 외함간 접지 부분에서 절연이 파괴돼 화재가 발생할 수 있음을 확인했다.

셋째,  ‘운영상의 부실’로는 다른 에너지관리시스템(EMS), 전력관리시스템(PMS),배터리관리시스템(BMS)이 시스템통합 업체 주도로 유기적으로 운영되지 못한 것이 문제로 꼽혔다. 

 해외 ESS는 왜 폭발하지 않았을까? 배터리 수명을 고려한 운영방식, 시공업체의 전문성, 온도 및 습도 등의 설치환경이 그 이유이다. 해외에서는 배터리 안전성과 수명을 고려해 계약 용량을 초과한 배터리를 설치한다. 즉, 계약 기간 동안 사용되는 배터리보다 더 높은 용량의 배터리를 확보해 무리한 배터리 사용을 자제한다는 것이다. 또한, 설치 환경에서도 온도 및 습도를 관리하는 엄격한 시스템을 갖추고 있다. 배터리는 온도에 민감하므로 18~28도 사이에서 운영하는 것이 최상이다.

 ESS의 운영 면에서 안전성을 확보하기 위해 가장 중요한 것은 ‘과충전’으로 인한 화재의 위험성을 방지하는 것이다. 전체 화재사고 중 60%이상이 충전 완료 후 대기 중에 발생한다. 배터리는 충전된 상태가 화학적으로 불안정한 상태이기 때문이다. 이 위험성은 충전된 정도가 높을수록 커진다. 따라서 과충전은 화재 유발에 직접적으로 기여한다.  국내  ESS 운영사는 효율을 높이기 위해SOC(State of Charge,충전상태)기준을 전체 용량의 5~95% 수준으로 무리하게 운영하면서 과충전 문제가 발생한 것이다. 과충전으로 인한 화재를 막기 위해서는 방전심도(DOD:Depth of Discharge)를 70% 수준으로 제한하여 사용해야 안전하다.

 

[자료 1. 해외와 국내 ESS 비교]

출처 : 국내서 화재 빈번한 ESS…해외에선 불 안나는 이유 (edaily.co.kr)

 

ESS에 탑재되는 배터리는 저장된 높은 에너지를 안전하게 통제하는 것이 가장 중요하다. 그중에서도 가장 많이 탑재되고 있는 리튬이온배터리의 경우 반응성이 큰(격렬한 반응을 일으키는) 원소인 리튬을 활용했기 때문에 특히나 그 안전성을 확보하는 것이 어렵다. 이를 통제하기 위해서 배터리 제조사들은 소재와 설계를 통해 안전성을 확보하고 있다. 하지만 이러한 노력에도 불구하고 화재가 발생하는 이유는 배터리 제조 과정뿐만 아니라 운용 환경에서도 기인한다. 

대표적으로 운용 환경에 의해 손상되는 부품으로 분리막이 있다. 분리막은 배터리의 안전성을 대표하는 소재로, 배터리 소재들의 전기화학반응을 물리적으로 억제하는 역할을 한다. 음극과 양극의 직접적인 접촉으로 인한 발열, 부반응을 막아 화재 및 폭발을 방지한다. 분리막의 안전성 저하는 전극 간의 접촉을 발생시킨다고 볼 수 있다. 이 현상이 일어나는 이유는 크게 분리막의 배치 불량, 분리막의 손상으로 나눌 수 있다. 제조 과정에서 배치 불량이 발생할 경우 QC 과정에서 선별되어 고객에게 전달되지 않는다. 따라서 가장 중요한 것은 배터리를 사용하는 도중 분리막의 손상을 방지해야 한다는 점이다.

 분리막의 손상은 관통과 수축으로 분류할 수 있는데, 충방전을 반복하는 과정에서 발생할 수 있다. 하지만 정상적인 작동 환경(온도, 상한/하한 전압, 사용 용량 등)에서는 이 문제가 발생하지 않도록 제조되고 있다. KC, IEC 등 안전 표준 기준에 이 내용이 모두 포함되어 있기 때문이다. 하지만 운용 환경이 이를 벗어날 경우 안전성이 저하될 수 있다. 고온, 고전압, 과한 충격 등이 전지에 가해질 경우 분리막이 손상될 수 있다.

  이러한 운용 환경에 의한 배터리의 손상을 최소화하기 위해 특수한 장치인 BMS가 들어간다. 이는 안정적으로 작동되는 전압, 전류에서 벗어나지 않도록 제어하는 역할을 한다. ESS, 전기차 배터리 등 배터리가 여러 개 연결된 경우 제어를 위해 이 부품을 장착한다. 이 부품은 작게는 보호회로, 광범위하게는 밀집된 배터리의 발열을 억제하기 위한 냉각 시스템, 화재 방지 시스템 등을 포함한다.

 하지만 이러한 노력에도 불구하고, 회로와 시스템에 의해 제어되는 만큼 이 시스템 운용에 영향을 주는 환경일 경우 안전성에 영향을 줄 수 있다. 국내 ESS 화재가 논란이 되었던 2018년경, ESS용 전용 건물이 아닌 단순한 옥외 건물(컨테이너 등)에 설치되는 경우가 있었다. 수분, 먼지 등으로 인한 보호회로의 고장, 낙뢰 등으로 인한 초과 전압 인가 등 ESS의 운용 환경을 제어하지 않아 배터리의 안전성을 저하시켰다고 할 수 있다. 또한 배터리를 한계까지 충방전을 반복한 것도 앞서 언급한 소재의 불안전성을 높였다. 해외와는 달리 국내 ESS는 0~100%까지 배터리를 운용해왔던 점이 이전 ESS 안전성 평가에 반영된 것이 이러한 문제를 지적한 점이다.

 이렇듯 운용 환경의 중요성을 깨달은 정부는 ESS를 철저한 관리 감독 아래에서 운영하고자 노력하고 있다. 산업통상자원부는 지난 2020년, 잦은 ESS 화재사고를 예방하기 위해 ‘ESS 추가 안전대책(20.02.06)’을 발표하였다. 발표한 내용은 다음과 같다.   

1. 충전율 제한(80% 또는 90%) 시행

- 신규 ESS 설비의 경우 일반인이 출입 가능한 ‘옥내 ESS 설비’의 충전율은 80%, 일반인이 출입할 수 없는 ‘옥외 ESS 설비’의 경우 충전율이 90%로 제한된다. 또한 기존 설비의 경우 신규 설비와 동일한 충전율로 하향토록 권고했다. 충전율이 높을수록 화재 위험도가 높기 때문에 충전율에 제한치를 두어 위험도를 완화시킨 조치이며, 인명 및 재산 피해가 비교적 적은 옥외 ESS 설비에 더 높은 충전율 제한치를 설정하였다.

2. 옥내설비의 옥외이전 지원

- 일반인이 출입 가능한 옥내 설비의 경우 화재로 인한 2차 피해가 발생할 수 있기 때문에 옥외로 이전을 희망하는 사업자에 한하여 이설 및 신규설치 비용을 지원한다.

3. 사고 원인 규명을 위한 운영 데이터 보관 (블랙박스 설치)

- ESS 안전 관리 강화를 위해 운영 데이터 보관 조치를 의무화하여 정확한 사고 원인을 파악할 수 있도록 한다.

4. 인명피해 예방을 위한 철거/이전 등 긴급명령 제도 신설

- ESS 설비의 화재 위험도가 높을 경우 긴급 점검을 실시하고, 그 결과로 인명 및 재산피해가 우려될 경우 철거/이전 등 긴급명령이 가능하도록 제도를 정비한다. 이외에도 옥내 ESS 설비 방화벽 설치, 소방시설 의무화 및 비용 지원 등의 제도 신설을 추진한다.

[자료2. 안전조치 이행 예시]

출처 : 산업통상자원부

또한 주기적으로 안전조치들이 이행되고 있는지 점검하고 있다. 산업통상자원부가 발표한 ‘추가안전조치’ 가이드라인에 따르면, ESS실의 내부를 내화구조(화재에 안전한 건축구조)로 구획해야 하며, 국가공인시험 기관에서 시험성적서를 획득한 소화 설비를 설치해야 한다. 이처럼 정부는 ESS 화재사고에 대비하여 2020년부터 ESS 사업자들을 대상으로 안전한 환경에서 가동되고 있는지 면밀하게 감시하고 있다.

 

결론

 ESS는 신재생에너지의 변동성을 보완하기 위해 필수적이다. 하지만 배터리의 운용방식에 기인한 위험으로 ESS 설치 자체를 부정해서는 안 될 것이다. 배터리가 에너지를 저장할 수 있는만큼 불안정성은 크다. 하지만 그 불안정성을 제어하지 못하고 부주의하게 사용하는 것이 훨씬 더 위험하다. 이제서야 이를 인식한 정부가 다양한 안전조치를 이행하고 있는 만큼, 앞으로도 재생에너지의 보급 확대와 ESS의 안전한 운용을 위해 노력해야 할 것이다.

 

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참고문헌

아쉬운 국내 ESS, 해외 ESS는?

1) 김동규기자, “ESS화재, 왜 해외에서는 안날까”, NEWS1뉴스, 2020.02.02,https://www.news1.kr/articles/?3830381

2) 양희동기자, “국내서 화재 빈번한 ESS…해외에선 불 안나는 이유”, 이데일리, 2020.02.02, https://www.edaily.co.kr/news/read?newsId=01180806625666584&mediaCodeNo=257>rack=sok

3) 정현정, 최재필기자, “ESS 화재 조사 마무리…조사위가 밝힌 원인 살펴보니”, 전자신문, 2019.06.11, https://m.etnews.com/20190611000231

4) 산업통상자원부, “에너지저장장치(ESS) 추가안전조치 이행확인 공고”, 21.03.05, http://www.motie.go.kr/motie/ne/announce2/bbs/bbsView.do?bbs_cd_n=6&biz_anc_yn_c=Y&bbs_seq_n=66571

5) 산업통상자원부, “(참고자료)국민안전을 최우선으로 하는「ESS 추가 안전대책」시행”, 20.02.06, http://www.motie.go.kr/motie/ne/presse/press2/bbs/bbsView.do?bbs_cd_n=81&bbs_seq_n=162649