ESS 배터리 기술 동향 분석 및 화재 예방 대책

글/ 고려대학교 주병권 교수 연구실
주병권(고려대학교 전기전자공학부 교수)
김기동 (KST 인증시험소, 연구원)

전기에너지를 저장하고 필요할 때 사용할 수 있도록 구축하는 에너지 저장 장치는 앞으로의 신재생에너지 시스템으로써 중요한 역할을 할 것이며 그중에 리튬이온전지 기반에 대한 시스템과 기술 동향을 살펴보려 한다. 또한, 화재가 발생하지 않도록 원인과 예방대책도 제시하고자 한다.



1. ESS의 정의

에너지 저장 장치(ESS, Energy Storage System)는 생산된 전기를 저장하여 필요할 때 사용할 수 있게 하는 시스템이다. 우리나라에서는 리튬이온전지 기반의 전기저장 장치(Electricity Storage System)를 통해 전기에너지를 화학에너지로 전환하고 저장하여 필요할 때 방전해서 에너지를 공급한다. 이러한 장치를 전기저장 장치, 에너지 저장 장치라고 한다.

에너지 저장 장치는 하나의 시스템을 구성하여 통합적으로 관리와 통제, 제어를 하는 시스템이며 그림 1과 같이 상용 전력과 전기에너지를 변환하는 전력 변환 장치(PCS, Power Conditioning System), 에너지 저장 장치의 충·방전량을 제어하는 전력 관리 장치(PMS, Power Management System), 에너지 저장 장치를 모니터링하고 제어하는 에너지 관리 장치(EMS, Energy Management System), 배터리의 관리, 제어를 위한 배터리 관리장치(BMS, Battery Management System) 등으로 구성되어 있다.



2. ESS 배터리의 충전 방식

배터리를 충전하기 위해 다양한 방법이 연구되었고 에너지 저장 장치에 사용되는 배터리의 최소단위는 셀(cell)이며, 셀을 모아 모듈(module), 모듈을 모아서 팩(pack)을 구성하여 배터리를 운용할 수 있다. 아래의 내용을 통해 셀을 이용하여 충·방전을 실시하는 방법을 알아보려 한다.

2.1 CC-CV 방식

에너지 저장 장치 배터리의 대표적인 충·방전 방식인 정전류-정전압(CC-CV, Constant Current-Constant Voltage) 방식은 배터리 충전 시에 설정한 전류로 전류를 제어하며 충전이 진행되고 그로 인해 일정한 전압에 도달하였을 때 설정한 전압으로 제어를 하여 배터리를 충전하는 방식이다.



그림 2는 정전류-정전압 방식을 사용하였을 때의 배터리의 전압과 전류에 대한 그림이다. 그림에서도 보면 충전되지 않은 배터리의 초기 상태에서 전압은 배터리의 권장 방전 최소 전압에 있는 것을 볼 수 있다. 이때의 전압이 낮은 상태에 있기 때문에 충전 시에 권장하는 충·방전률 1 C보다 낮은 정전류로 배터리를 충전하게 된다. 충전이 진행되면서 설정된 전압 이후로 전압이 상승한 경우 전류값을 제어하여 계속해서 배터리를 충전한다.

전압이 설정된 전압에 도달하게 되면 정전압으로 배터리를 충전이 진행이 된다. 정전압 충전이 진행되면서 배터리 충전 상태(SOC, State Of Charge)가 100%에 갈수록 전류는 지속적으로 낮아진다. 이때 설정한 전류값에 따라 충전이 다 되었다고 하며 충전을 멈추게 된다.

정전류-정전압 방식은 배터리의 수명 상태(SOH, State Of Health)가 변할 때마다 설정하는 전압, 전류의 값도 변화하여야 한다. 배터리 노화로 인해 배터리의 수명 상태를 고려하지 않고 충·방전을 진행할 경우 배터리의 수명 상태의 감소로 배터리 내부 저항이 증가하여 에너지 손실이 발생한다. 그렇기 때문에 배터리의 수명 상태가 급격하게 저하가 되며 배터리의 노화를 빠르게 진행하게 된다.

2.2 MCC-CV 방식

다단계 정전류-정전압(MCC-CV, Multistage Constant Current-Constant Voltage) 방식은 여러 단계로 정전류 값을 나누어서 배터리를 충전하는 방식이다.



그림 3은 다단계 정전류-정전압 방식을 사용하였을 때의 배터리의 전압과 전류에 대한 그림이다. 충전 시에 설정된 전압까지 높은 정전류 값으로 충전이 진행되며 설정된 전압까지 도달했을 경우 좀 더 낮은 정전류 값으로 다시 충전을 진행한다. 이때 전류의 감소로 인해 배터리의 전압이 순간적으로 감소하는 현상을 이용하여 설정한 전압까지 반복적으로 시도한다. 이러한 반복적인 방법은 배터리의 완충53전압을 넘어서지 않으면서 높은 전류값으로 충전할 수 있다. 이후에 설정된 정전류 충전이 끝나면 정전압을 사용해 배터리를 안전하게 충전한다.

2.3 BC 방식

급속 충전(BC, Boost Charging) 방식은 높은 정전류 값으로 배터리 충전을 시작하는 방식이다.

그림 4는 급속 충전 방식을 사용하였을 때의 배터리의 전압과 전류에 대한 그림이다. 배터리 충전을 시작할 때 높은 정전류로 충전을 진행한다. 설정된 전압까지 도달했을 경우 한 번 더 정전류로 충전을 시도한다. 이후에 설정된 전압 값에 도달하면 정전압을 사용해 배터리를 충전한다. 처음에 높은 전류를 사용하여 충전을 진행하기 때문에 충전 시간을 단축할 수 있다.



2.4 PC 방식

펄스 충전(PC, Pulse Charging) 방식은 앞선 방식들과는 다르게 전류를 펄스 형태로 가하여 배터리를 충전하는 방식이다.


  

그림 5는 펄스 충전 방식을 사용하였을 때의 배터리의 전압과 전류에 대한 그림이다. 배터리 충전을 시작할 때 전류를 펄스 형태로 설정된 전압 값까지 지속적으로 충전을 진행한다. 배터리의 사이클 수명 개선 및 충전시간을 단축할 수 있다고 한다.



3. ESS 배터리 화재원인

에너지 저장 장치 배터리 관련 화재 사고가 지속적으로 발생하면서 안전 강화에 대한 관심이 높아지고 있다. 2017년 8월부터 2019년 10월까지 총 28건의 화재사고가 발생하였다. 에너지 저장 장치 배터리 화재는 염화수소(HCI), 불화수소(HF), 수소(H) 가스가 발생하고 진화가 어렵기 때문에 화재 원인을 조사하는 데 오랜 시간이 걸리며 안전성 강화를 위해 다각도 안전조치가 필요하다.

3.1 전기적 충격
순간적으로 발생하는 고전압과 대전류가 입력을 통해서 들어오거나 낙뢰와 같은 서지가 침입할 경우 전력 관리 장치, 전력 변환 장치, 서지보호기 등에 오류가 발생하여 배터리의 셀 단락 사고, 지락 사고가 발생할 수 있다.

3.2 운용환경 관리 미흡
배터리 충·방전은 올바른 충전량 범위 이내로 충전해야 하고 고온, 저온에 따른 운용 온도에서 관리해야 하며, 보관 조건과 환기설비에 대해서 유지관리를 철저하게 신속히 대처해야 한다.

3.3 설치 부주의
관계된 모든 보호장치, 모니터링 장치가 설계부터 설치, 운용 때까지 적절히 작동하는지 확인하여야 한다.

3.4 ESS 통합제어, 보호체계 미흡
에너지 저장 장치 통합제어, 보호체계에서 배터리의 자체 결함과 낙뢰, 서지와 같이 외부적인 요인, 고주파, 노이즈와 같이 내부적인 요인으로 발생하는 사고를 적절하게 대처해야 한다. 에너지 저장 장치 통합제어, 보호체계가 미흡한 경우 보호회로가 오작동하여 배터리가 과충전 되거나 과전류가 발생하여 열 폭주 및 화재로 발생할 수 있다.

3.5 계측 기능의 오차와 시스템과의 연동 미흡
배터리 셀의 전압과 셀 온도계측, 랙과 관련된 전압과 전류, 온도 등 계측의 정확성 확인과 오차 값을 보정하지 않은 상태에서 지속적으로 사용한다면 화재가 발생할 수 있는 원인이므로 신속하게 작동할 수 있는 보호 시스템과의 연동되는 신뢰성을 확보하여야 한다.

3.6 배터리 보호시스템, 보관불량, 유지, 보수, 관리 미흡
과전압, 과전류에 의한 전기 충격이 발생하였을 때 배터리의 모듈 또는 랙의 퓨즈가 보호장치로써 신속하게 차단하지 못한다면 화재가 발생할 수 있다.

3.7 배터리의 제조결함
배터리 셀에서 극판 접힘 현상, 절단 불량, 활물질 코팅 불량과 같이 배터리 제조 결함으로 인해 화재가 발생할 수 있다.

3.8 전력 관리 장치, 전력 변환 장치, 에너지 관리 장치, 배터리 관리장치 등의 제조결함과 직류회로의 아크차단 장치 미흡
직류회로의 아크 차단 장치가 미흡하거나 보호장치가 없는 경우와 전력 관리 장치, 전력 변환 장치, 에너지 관리 장치, 배터리 관리 장치 등과 같이 설비에서 접촉저항이 있다면 직렬 아크로 발전할 수 있기 때문에 아크 차단 장치가 필요하며 없을 경우 화재의 원인이 될 수 있다.



4. ESS 배터리 화재 예방대책

에너지 저장 장치 배터리 화재는 발생하면 몇 시간 이내에 전소하며 초기진화가 어렵다는 문제점이 있다. 화재 시 발생하는 연기에는 유독 물질을 포함하며 연쇄 폭발의 가능성이 있기 때문에 안전 대책 마련이 중요하다. 발생한 화재나 사고의 원인이 명확하게 규명되지 않는 경우에 그에 대한 대책을 알아보았다.

4.1 에너지 저장 장치 배터리 설비를 건물 또는 시설로부터 일정거리 떨어진 실외에 설치할 경우
과전류를 보호하고 과전압, 저전압 보호장치를 설치해야 하며 서지 보호기 설치를 의무화하여 화재 발생의 원인을 최소화하여야 한다. 또한, 에너지 저장 장치 설비를 원격이나 수동으로 전원 차단할 수 있는 시스템 구축과 모니터링을 강화하고 배터리 룸의 환경, 장치 점검과 설비의 열 화상 점검을 정기적으로 해야 한다.

4.2 건물 옥내에 에너지 저장 장치를 설치할 경우
건물 공간의 바닥, 벽은 최소 1시간 이상의 내화성능이 필요하고 환기설비는 가연성가스의 농도가 25% 초과하지 않도록 갖추어야 한다. 그리고 KC(Korea Certification)인증에 합격한 신뢰성 높은 배터리를 사용하도록 한다.

4.3 안전점검 제도강화, 전문 인력양성과 매뉴얼관리
배터리 제어 시스템에 대한 안전성 검사 항목과 배터리 발열의 특성을 고려한 안전기준을 제정하고 정기점검 주기를 단축하여 정기점검을 강화해야 한다. 또한, 시운전부터 유지관리를 할 수 있는 전문 인력을 배치하고 매뉴얼을 문서로 관리하여 시스템의 운전, 유지, 보수를 정기적으로 확인할 수 있도록 한다.

4.4 보호시스템, 소화시스템 구축
배터리의 셀 전압이 불균형하거나 내부의 온도가 상승하는 것과 같은 증상을 선별하여 관리자에게 실시간 전송하고 보호할 수 있는 보호시스템을 구축해야 하며 배터리 셀이나 모듈의 내부 온도 상승이 설정값을 초과하는 경우에는 배터리 랙 전체를 급속하게 방전하여 열생성을 차단할 수 있는 차단 보호시스템을 구축해야 한다.

그리고 리튬이온배터리 화재는 충전된 용량으로 스파크가 발생하는 전기화재와 배터리 내부의 리튬금속으로 인한 금속화재, 배터리의 연소와 폭발 시 발생하는 배출가스로 인한 가스화재가 복합된 화재이기 때문에 특수 소화약제 또는 그에 따른 소화기, 소화시스템을 구축해야 한다.



4.5 Off 가스(Off gas) 검출로 사고확대 방지
배터리는 가혹한 조건에서 지속적으로 사용하게 되면 배터리 내부 전해질에서 OFF 가스가 발생하고 방치한다면 화재로 이어지게 된다. OFF 가스 발생으로부터 연기가 발생할 때까지 보통 5~6분이 소요되고 연기가 발생한다면 배터리 셀의 양극과 음극이 단락 된 상태로 완전하게 고장난 것으로 본다. 적정 운전 범위에서 셀 전압, 전류, 온도 등을 감시, 제어해야 하지만 상황이 발생한 경우 연기 발생과 화재가 발생하기 전 신속한 조치가 필요하다.

5. ESS 국내시장 현황

2014년부터 시작한 에너지 저장 장치 보급은 2018년 기준 1490개소, 용량 약 5 GWh가 되었다. 세계 시장의 1/3을 차지할 정도였었지만 에너지 저장 장치 화재 사고로 인해 국내 사업장 수가 줄어들고 있다. 2017년부터 발생했던 화재사고로 인해 안전성 논란이 현재까지 이어지고 있다. 화재 예방 대책으로 정부에서는 에너지 저장 장치 신규 설비 가동률을 90%로 제한하였고, 기존 설비 가동률은 80%로 하향하였다.

신재생에너지 공급 인증서(REC, Renewable Energy Certificates) 가격 폭락과 정부 지원이 축소되면서 에너지 저장 장치 업체들의 수익성이 악화되었다. 현재는 제약이 많은 국내보다는 뛰어난 기술력을 바탕으로 해외에서 활로를 찾고 있다. 하지만 여러 기관 및 기업이 협업하여 전남 신안군 안좌도에 단일 현장 기준으로는 국내 최대 규모의 에너지 저장 장치를 구축하였다. 우리나라 4인 가구의 월평균 전력 소비량(350 kWh)를 기준으로 가구당 매일 11.7 kWh를 사용한다고 가정하면 총 2만 9000 가구가 하루 동안 사용할 수 있는 전기를 저장할 수 있는 배터리 용량을 가지고 있다.

이는 전력 변환 장치 용량 92 MW, 배터리 용량 340 MWh이다. 안전성을 강화하기 위해 더욱 시스템을 강화하였고 24시간 모니터링, 원격제어를 통해 신속하게 긴급 상황에 대응할 수 있게 하였다. 만약에 배터리에 화재가 나더라도 연기 감지기가 화재를 감지하고 해당 배터리 모듈 내에 물을 직접 주입해 확산을 차단하는 배터리 화재 확산 방지 시스템이 적용되었다.

6. 결론

복합적인 원인으로 고장이 발생하고 사고가 커지지 않도록 안전장치가 적절하게 작동되어야 하며 화재 가능성이 있는 원인들을 파악하여 안전조치를 시스템적으로 체계화해야 한다. 특히, 국내 에너지 저장 장치 산업을 위해 무엇보다 정부에서의 적극적인 지원이 필요하다.

이를 통해 화재 원인에 대한 정확한 분석과 차세대 배터리 개발을 지원하여 에너지 저장 장치 업체들의 부담을 완화시켜주고 화재에 대한 불확실성을 해소해야 한다. 또한 중소기업의 다양한 전문성과 학계, 기관들이 협업 체계를 구축해야 하고 소비자의 에너지 저장 장치 이용 활성화를 위해 기술경쟁력을 강화해야 한다.


참고 문헌

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