리튬이온 배터리 화재 대응 정책제언

리튬이온 배터리 화재 대응 정책제언

대학생신재생에너지기자단 20기 윤진수

 

전기차와 ESS의 화재현황

일반적으로 전기차의 화재 발생률은 내연기관차보다 작다. 그렇더라도 리튬이온 배터리가 장착된 경우는 발화 가능성이 크고 일단 불이 나면 열기가 강한 데다 진행속도가 빨라 위험할 수 있다. 소방청이 조정훈 시대 전환 의원실에 제출한 현황 보고서에 따르면 2020년 1월부터 11월까지 국내에서 발생한 전기차 화재 사고는 22건에 달했다. 더하여 2021년 초 5건의 전기차 화재사고가 더 있었다. ESS도 마찬가지이다. 2017년 8월 전북 고창의 풍력발전 연계용 ESS화재를 시작으로 작년까지 5년간 총 32건의 ESS 화재가 발생했고 올해 들어 지난 12일 SK에너지 울산공장, 17일 경북 군위 태양광 발전시설에서 잇달아 ESS 화재가 발생하면서 총 화재 건수는 34건으로 늘었다.

[자료 1. 국내 전기차 화재 현황]

출처 : 월간중앙

[자료 2. 에너지저장장치(ESS) 화재 발생현황]

출처 : 연합뉴스

전기차와 ESS에서 주로 사용하는 배터리는 ‘리튬이온 배터리’이다. 리튬이온 배터리는 우리 주변에서 많이 사용하는 것에 비해 특히 전기차 부분은 국내에서 아직 상용화가 내연기관차보다 덜 되어 있기 때문에 화재사고에 대한 대응 정책이 미비하다는 것을 알 수 있다. 이에 따른 리튬이온 배터리의 화재 대응을 위한 정책적인 제언을 해보려고 한다.

 

전기차 화재대응 정책제언

산업통상자원부에 따르면 국내 전기차 보급 대수는 2021년 8월 기준 약 18만대에서 오는 2025년 113만 대까지, 충전설비의 경우 약 7만 대에서 51만 대까지 늘어날 것으로 전망된다. 리튬이온 배터리를 사용하는 전기차에서 불이 붙으면 쉽게 꺼지지 않는다. 특히 지하주차장의 경우 방화구획이 제대로 갖춰지지 않아 초기에 화재를 진압하지 못하면 큰 피해로 이어질 수 있다.

질식 소화포란 산소 침투를 막아 질식해 진화하는 불연성 재질의 덮개로 불이 난 자동차를 덮는 ‘덮개’이고 이는 전기차 화재 시 소방차 대기 동안 열폭주를 지연시켜주는 역할을 한다. 조립식 소화수조란 화재 차량을 수조에 침수시켜 불을 진화하는 방법으로 이는 물이 침투해 직접적으로 화재를 진압한다.

[자료 3. 질식소화포를 활용한 전기차 화재 진압훈련의 모습]

출처 : 안전저널

하지만 양기대 의원이 소방청으로부터 제출받은 자료에 따르면 전기차 화재진압의 필수 장비인 질식 소화포는 전국에 137개가 구비돼 있지만 전남에 42개로 편중되어 있고 경북은 단 한 개도 없다는 문제점이 있고, 조립식 소화수조도 경기 화성소방서와 일산소방서에 각 1대씩으로 전국에 단 2대뿐이다. 전기자동차 증가량에 비해 소화장비는 턱없이 부족한 상태임을 보여준다.

 

[자료 4. Temperature-time relationships applying fire blanket]

출처 : 리튬이온 배터리 화재 대응방안의 실효성 분석을 위한 실규모 화재진압 실험

‘리튬이온 배터리 화재 대응방안의 실효성 분석을 위한 실규모 화재진압 실험’의 실험 결과를 통해 정책적으로 미비한 부분이 어디인지를 알려주고 있다. 붉은색 음영으로 표시된 영역이 질식 소화포로 덮어 놓았을 때를 나타낸다. 질식 소화포를 적용했을 때 자동차 내장재의 연소는 저지할 수 있었지만 배터리셀의 열폭주는 지속적으로 발생함을 확인했다. 전기차 화재 진압에 있어 질식소화 덮개는 산소의 공급을 방해하여 자동차 내장재 연소를 지연시키는 정도의 효과를 보였으며, 전기차를 직접적으로 소화하는 도구로서는 한계가 있었으나 초기 화재의 성장 혹은 화염의 주변 확산을 지연하는데 효과가 있음을 정량적으로 확인하였다.

[자료 5. 조립식 수조 화재진압 실험]

출처 : 현대일보

소화수조를 사용하여 열폭주로 인해 파손된 배터리팩 내부에 직접적으로 물이 유입된 후에야 배터리셀의 온도가 급격히 하락한 것을 볼 때 전기차 화재의 효과적인 대응을 위해서는 배터리팩 외부에서 간접적으로 냉각시키는 것보다는 배터리팩 내부에 직접적으로 소화제(물 혹은 수계소화약제)를 투입할 수 있는 전략이 필요하다는 결론을 얻는다.

따라서 운전자에게 질식 소화포를 배포하거나 전기차 충전소에 화재를 대비한 질식소화포를 비치해야한다. 특히 실내 충전소에는 필수적으로 질식소화포를 비치하도록 하여 주변에 확산되는 피해를 막도록 해야 하고 비용이 큰 조립식 소화수조는 전국 8도의 소방본부에 배치하여 전기차 화재에 대응해야 한다. 질식 소화포는 열폭주를 지연시키는 역할로 조립식 소화수조는 실직적으로 화재를 진압할 수 있는 역할을 할 수 있도록 만들어야 한다.

 

또, 전기저장시설(ESS)은 적용되는 법률이 따로 있다. 바로 ‘전기저장시설의 화재안전기준’이다. 이는 자동화재탐지설비를 의무적으로 설치하도록 하여 화염이 발생되면 바로 탐지가 가능하여 더 큰 화재를 막을 수 있다. 이처럼 전기차 충전소에도 화재안전기준을 설정하도록 하여 화재를 조기에 감지할 수 있도록 한다면 최소한 실내에서 발생하는 화재의 규모를 줄일 수 있을 것이다.

소방청은 현재 전기차 화재 대응 장비를 선택 장비로 규정하고 있다. 질식 소화포와 같은 특수진압 장비를 선택 장비가 아닌 기본 장비로 기준을 바꾸어 도심의 소방서뿐만 아니라 외각의 소방서에서도 기본적으로 보유할 수 있도록 한다.

[자료 6. 테슬라 모델S 화재진압 매뉴얼]

출처 : 테슬라

시판된 차량용 화재진압 매뉴얼은 위와 같다. 모든 전기차의 대응 매뉴얼을 일반화시킬 수 없지만 대부분의 차량용 매뉴얼에서는 전기차 화재 발생 시 운전자가 어떻게 대응해야 하는지 자세히 나오지 않았다. 또, 흔히 ‘배터리에 물을 뿌리면 안 된다’는 오해가 있는 것처럼 잘못된 방법으로 대응할 수 있다는 문제점도 있다. 따라서 운전자용 전기차 화재 대응 매뉴얼을 제작할 필요가 있다. 매뉴얼에는 운전자가 행동해야 할 것, 충전기 분리, 질식 소화포 사용, 물로 대처하기 등의 필수적인 내용을 담아 화재 현장을 가장 먼저 목격하는 운전자가 직접 대응할 수 있도록 안내해야 한다.

 

ESS 화재대응 정책제언

국내 ESS는 2017년 이래 전력요금 할인 특례와 신·재생에너지 공급인증서 등의 보급지원 정책으로 ESS가 국내에 짧은 기간에 급속도로 설치되었으며, 기술력도 함께 고속 성장하였다. 하지만 빠른 성장 과정에서 안전기준 및 표준화가 그 속도를 따라가지 못하였고 기존 안전기준으로 안전성 확보에 미흡한 부분이 발생하였다.

산업통상자원부는 2019년 6월 ‘ESS 안전관리 강화대책’을 수립한 데 이어 지난해 2월‘ESS 추가 안전대책’을 내놨다. 하지만 두 차례의 정부의 ESS 안전대책에도 불구하고 ESS 화재사고가 매년 발생하고 있으므로 지속적으로 안전기준을 제·개정할 필요가 있다.

[자료 7. 울산 SK에너지 ESS 화재 현장]

출처 : 매일경제

ESS에 필요한 소방시설과 안전기준을 규정한 전기저장시설의 화재안전기준(NFSC-607) 제 8조를 보면 다음과 같다.

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제 8조(자동화재탐지설비)

① 자동화재탐지설비는 「자동화재탐지설비 및 시각경보장치의 화재안전기준(NFSC 203)」에 따라 설치한다. 다만, 옥외형 전기저장장치 설비에는 자동화재탐지설비를 설치하지 않을 수 있다.

② 감지기는 다음 각 호 중 어느 하나의 감지기를 설치해야 한다.

1. 공기흡입형 감지기 또는 아날로그식 연기감지기

2. 중앙소방기술심의위원회의 심의를 통해 전기저장장치에 적응성이 있다고 인정된 감지기

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이와 같이 규정된 감지기의 경우는 화재 초기에 생성되는 연기 및 가스를 검출한 신호를 소화시스템에 전달하여 동작시키는 기능을 가진 리튬이온전지의 열폭주 이전의 오프가스는 감지하지 못한다. 이 때 열폭주가 일어날 때 먼저 배터리가 스트레스를 받게되면 오프가스가 발생되는데, 그로부터 약 5~6분뒤 열폭주가 시작된다. 리튬이온전지의 오프가스 방출은 열폭주 단계가 다다랐음을 나타내는 것으로 위험 상태임을 나타내는 중요한 지표이다.

[자료 8. 오프가스 검출기 추가 설명자료]

출처 : ⓒ 20기 윤진수

이러한 오프가스 검출 시스템 대책이 추가된다면 열폭주를 차단해 화재를 예방할 수 있을 것이므로 NFSC-607의 제 8조에 오프가스 감지기를 추가해서 설치하는 것이 필요하다. 이에 따른 활용방안은 다음과 같다. 그림처럼 오프가스 검출기의 신호 값을 바탕으로 가스 농도 변화량에 따라 단계별 경고 시스템을 다르게 만든다. 이를 통해 알림 상수에 따라 각각의 대응책을 만들어 즉각적인 대응 조치가 이루어지도록 한다.

 

리튬이온 배터리 화재 대응의 중요성

“화재사고를 대응하는 방법에 초점을 맞춰 난관을 헤쳐 나가자”

전 세계적으로도 탄소중립을 위한 탄소저감의 노력으로 전기차와 배터리가 모든 산업 전반에 걸쳐 게임 체인저가 되어가고 있다. 하지만 전기차 보급률 상승 이면에는 화재사고를 대처할 방안이 없는 것이 현실이다. 더불어 ESS 화재 문제로 주춤해진 ESS 산업의 활기를 되찾는 것도 국내에서는 가장 중요하다. 화재사고의 근본적인 원인을 찾는 것도 중요하지만 화재가 발생하면 어떻게 대처해나가야 하는지를 정책적으로 규정하는 것도 함께 가져가야 한다고 생각한다.

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리튬이온 배터리에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "13만 대의 전기차, 오직 137개의 진압 장비",  20기 조현선, https://renewableenergyfollowers.org/3541

13만 대의 전기차, 오직 137개의 진압 장비

2. "ESS 폭발사고가 배터리 탓이라고? 배터리도 나름 억울합니다!", 15기 김민서, 16기 임상현, 19기 김성민, 19기 서명근, https://renewableenergyfollowers.org/3499

ESS 폭발사고가 배터리 탓이라고? 배터리도 나름 억울합니다!

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참고문헌

[전기차/ESS 화재현황]

1) 박피터슨, “전기차 화재사고, 발생률은 낮지만…”, 딜라이트, 2022.01.30.

http://www.delighti.co.kr/news/articleView.html?idxno=33148

2) 윤보람, “연초부터 ESS 화재 잇달아…더 강력한 안전규제 나오나”, 연합뉴스, 2022.01.19.

https://www.yna.co.kr/view/AKR20220118161100003

[전기차 화재대응 정책제언]

1) 이송규, “[전기차 화재] 전기차 화재 진압 장비 부족 ... 질식소화포, 조립식 소화수조”, 매일안전신문, 2021.10.31.

https://www.idsn.co.kr/news/print.html?newsid=22556

2) 임옥근, 강성욱, 권민재, 최정윤, “리튬이온배터리화재 대응방안의 실효성 분석을 위한

실규모 화재진압실험”, 한국화재소방학회 논문지, 2021.12.31.

https://www.kifsejournal.or.kr/journal/view.php?doi=10.7731/KIFSE.8172e9b4

3) 최누리, “[BEST 119] “전기차 화재, 조립식 소화수조로 끈다”… 부산소방, 실물화재 시험”, 소방방재신문, 2022.05.20.

https://fpn119.co.kr/178093

[ESS 화재대응 정책제언]

1) 윤보람, “연초부터 ESS 화재 잇달아…더 강력한 안전규제 나오나”, 연합뉴스, 2022.01.19.

https://www.yna.co.kr/view/AKR20220118161100003

2) 이봉우, “ESS시스템의 화재원인 분석과 해결 방안 연구 = A study on the Analysis and solution of ESS system fire cause”, 한양대학교 공학대학원, 2020.02.

http://www.riss.kr/search/detail/DetailView.do?p_mat_type=be54d9b8bc7cdb09&control_no=5b782bcafbd9809affe0bdc3ef48d419&outLink=K

3) 전기저장시설의 화재안전기준(NFSC 607), [시행 2022. 2. 25.], [소방청고시 제2022-1호, 2022. 2. 7., 제정], 법저체 국가법령정보센터

https://www.law.go.kr/LSW/admRulInfoP.do?admRulSeq=2100000208900&lsId=80781&chrClsCd=010202#J8:0

4) 황소연, 한병길, 최형석, 이주광, 노대석, ㈜티팩토리, 한국기술교육대학교, “ESS용 리튬이온전지의 열폭주 방지용오프가스 조기 검출 알고리즘에 관한 연구”, 2021년 한국산학기술학회 춘계 학술발표 논문집

http://www.kais99.org/jkais/springNfall/spring2021/oral/2021_spring_109.pdf