1. 서 론
Energe storage system (ESS)은 생산된 전기에너지를 저장했다가 전력이 필요할 때 공급하는 시스템으로 태양광 발전소에 필수적인 전기저장시설이다. ESS는 정부의 탈원전⋅신재생에너지 정책에 따라 2017년부터 전국에 설치되어오고 있다. 특히 2018년도에는 ESS 화재 발생 건수가 급격하게 증가하였으나 당시에는 배터리가 전소될 때까지 마땅한 대응방법이 없어서 사회적 이슈가 되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 한국소방산업기술원은 ESS 화재진압기술(1,2) 및 배터리 소화장치의 성능평가기준을 개발하였고(3), 소방청에서는 ｢전기저장시설의 화재안전성능기준｣을 제정하여 제도를 운용해오고 있다(4). 그럼에도 불구하고 최근까지 ESS 화재가 계속 발생하고 있다. 한국전기안전공사가 국회에 제출한 자료에 의하면 2017년부터 2024년 6월까지 총 55건의 ESS 화재가 발생하였다(5).
ESS 화재는 리튬이온 배터리의 열폭주에 의해 발생하기 때문에 일반화재에 비해 대응이 어렵고 피해가 크게 발생한다. 리튬이온 배터리의 열폭주란 제어할 수 없을 정도로 매우 빠른 발열반응에 의해 급격한 온도 상승과 더불어 에너지가 방출되는 현상이다(3,6). 열폭주는 가연성 가스의 생성을 동반하기 때문에 발열반응을 초기에 정지시키지 못하면 화재 발달 속도가 점점 더 가속되어, 화재 진압이 더 어려워지게 된다.
Feng 등(7)은 실험을 통해 열폭주 에너지가 배터리 표면을 통해 가장 많이 전달된다는 사실을 발견하였다. 셀 간격을 늘리거나 단열층을 설치하여 열폭주 열에너지의 전달을 지연시키는 방법도 대책이 될 수 있겠지만, 신속하게 발열반응을 억제시키기 위해서는 냉각방법이 더 효과적이다. Liu 등(8)은 다양한 충전 상태의 배터리를 전기히터로 가열하여 열폭주를 유도하고 임계온도에 도달하기 전에 미분무수(water mist)를 방출하면 열폭주를 제어할 수 있다고 보고하였다. Zhang 등(9)은 물의 양과 분무 압력이 리튬이온 배터리 화재 진압과 열폭주 확산 방지에 미치는 영향에 대해 연구하여 리튬이온 배터리 화재를 효과적으로 진압하고 최대 표면온도들 낮출 수 있음을 확인하였다.
일반화재는 화염을 진압하면 종료되지만, ESS 화재는 화염 진압 뿐만 아니라 배터리 간 열폭주의 전파까지 정지시켜야 한다. 열폭주 전파를 정지시키기 위해서는 결국 배터리의 발열반응을 정지시켜야 한다. 충분한 물 분무량과 셀 표면과의 높은 접촉 효율을 유지한다면 열폭주 전파를 제어할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 ESS에서 발생하는 리튬이온 배터리의 열폭주 화재를 초기에 진압하기 위해 모듈 내부로 물을 주입하는 최적의 방법을 제안하고자 하였다.
2. ESS 화재
Figure 1에 ESS를 구성하는 배터리의 단위들을 구분하여 나타내었다. 리튬이온 배터리의 최소 단위를 셀이라 한다. 배터리를 안전하고 효율적으로 관리하기 위해 셀들을 모아서 프레임으로 구성한 것을 모듈이라고 한다. 그리고 모듈의 안정성 유지 및 효율적 관리를 위해 모듈을 모아서 프레임을 구성한 것을 랙이라고 한다.
리튬이온 배터리는 내적 요인 또는 외적 요인에 의해 배터리 내부에서 발열반응이 지속되면 화재가 발생할 수 있다. 발열반응에 의해 가스가 생성되면서 배터리 내부 온도가 상승함에 따라 발열반응의 속도가 점점 가속되어 분리막이 파괴되는 순간 에너지 방출이 급격하게 증가하는 열폭주 현상이 발생하게 된다(10).
ESS에는 많은 수의 배터리 셀들이 모여있기 때문에 한 개의 셀에서 열폭주가 시작되면 주변의 셀들로 열에너지가 매우 빠르게 전달되어 연쇄적으로 열폭주가 발생하게 된다(11,12). 한 개의 모듈이 연소되는 동안 인접한 모듈에서도 열폭주가 발생하게 되면 화재 발달 속도가 점점 가속되어 ESS 배터리실 전체가 전소하게 된다. ESS 화재가 발생하면 연소가스 중에 불화수소(HF)와 같은 유해가스도 발생하기(13,14) 때문에 화재를 진압하기 위한 접근을 더욱 어렵게 한다.
ESS 화재는 전역방출방식의 가스계 소화설비로는 진압할 수 없다. 가스계 소화약제로 배터리 저장실의 소화농도를 유지할 경우 화재 발생은 지연시킬 수 있지만, 배터리의 발열반응까지 정지시키지는 못한다(15). 발열반응이 멈추지 않으면 가연성 가스는 계속 생성되면서 축적된다. 이때 산소가 공급되고 점화요인까지 발생하면 재발화가 일어난다. 특히, 밀폐된 공간에 가연성 가스가 많이 축적되면 폭발이 일어나기도 한다. Figure 2는 2019년 미국 애리조나주에서 발생한 ESS 폭발 사고를 보여준다(16). 이 당시 ESS에는 전역방출방식 FK-5-1-12 (Novec 1230) 소화설비가 구축되어 있어서 화재의 발생은 막았다. 그러나 셀 간 열폭주의 전파는 계속 진행되었기 때문에 배터리실 내부에는 가연성 가스가 계속 축적되고 있었다. 소화설비 작동으로부터 약 3 h 후 소방대원이 도착하여 배터리실 문을 열었고, 문이 열린지 약 2～3 min 후 폭발이 일어났다.
ESS 화재는 화염을 진압하여도 가열된 다른 배터리 셀에서 새롭게 열폭주가 발생하여 전파되는 특징이 있다. 따라서 열폭주로 인한 열에너지가 인접한 셀로 전파되지 않도록 냉각기술로 제어하는 것이 중요하다.
3. 실 험
3.1 리튬이온 배터리 모듈
열폭주 화재 진압실험을 위해 국내 A사의 모듈을 사용하였다. Figure 3은 셀들이 케이스에 내장되어 있는 상태(a)와 덮개가 제거된 상태(b)의 모듈을 보여준다. 모듈의 주요 사양을 Table 1에 나타내었다.
Table 1
Specification of Tested Lithium-ion Battery Module
| Item | Content |
|---|---|
| Cell Type | Pouch |
| Configuration | 14 cell × 2 |
| Nominal Capacity | 145 Ah |
| Nominal Voltage | 51.38 V |
| Nominal Energy | 7.448 kWh |
모듈은 파우치형 리튬이온 배터리 셀(NCM) 14개가 2세트(28개)로 구성되어 있으며, 공칭용량 145 Ah, 공칭전압 51.38 V 그리고 공칭에너지가 7,448 kWh이다. 실험은 모듈의 모든 셀들이 90% 이상(4.16 V) 충전된 상태에서 실시하였다.
3.2 실험 방법
모듈에서 1개의 셀을 분리하여 Figure 4와 같이 필름히터를 부착한 후 다시 원래의 위치에 설치하였다. 여기서 필름히터가 부착된 셀을 이벤트 셀이라 한다. 28개의 셀에서 열폭주가 순차적으로 전파되는 것을 확인하기 위해 이벤트 셀의 위치를 물의 주입구로부터 가장 먼 곳으로 선정하였다. 필름히터가 부착된 셀과 K 타입 온도센서가 부착된 셀들의 위치를 Figure 5에 나타내었다. 그 밖에 모듈 내부와 외부(실험실)의 공기 온도를 측정하기 위한 온도센서도 설치하였다. 모듈 케이스에는 공기의 순환을 위한 구멍이 있으며 구멍의 위치에 팬이 부착되어 있다. 팬이 위치한 반대쪽 면에도 구멍이 있는데, 이곳을 물의 주입구로 사용하였다. 물 주입구와 팬 사이에는 폭 30 mm의 공간이 일직선으로 연결되어 있다.
Figure 6에 열폭주 화재 진압실험 장치도를 나타내었다. 실험실(2.4 m × 3.0 m × 2.6 m) 내부에 모듈을 설치하고 온도 컨트롤러(Yokogawa, UP35A)를 이용하여 셀에서 열폭주가 발생할 때까지 7 ℃/min의 속도로 이벤트 셀을 가열하였다. 열폭주 발생 후 불꽃이 관찰되면 물을 20 L/min의 유속으로 20 min간 모듈 내부로 주입하였다. 모든 실험 과정의 온도 변화는 DAQ (imc CX LITE DIO)를 이용하여 실시간으로 기록되었다. 실험이 끝나면 24 h 경과 후 모듈 내부 셀의 상태를 확인하고 전압을 측정하였다.
4. 결과 및 고찰
Figure 7은 열폭주 화재 진압실험 후 모듈의 덮개를 제거한 상태를 보여준다. 사진에서 보는 바와 같이 28개의 셀들이 모두 전소되었다.
Figure 8에 온도센서로 측정한 셀 표면의 온도변화들을 나타내었다. 이벤트 셀(①번)에서 열폭주가 발생한 후 즉시 물을 주입하였음에도 불구하고 약 10 min 36 s 경과 후 14번째 셀(②번)에서 열폭주가 발생하였으며, 계속해서 인접한 셀들로 열폭주가 전파되었음을 알 수 있다. 화재 발생 초기에 모듈 내부로 물을 주입하여 화염은 진압하였으나 발열반응이 진행 중인 셀들을 효과적으로 냉각시키지는 못하였다. 그 결과 열폭주에 의한 열에너지가 인접한 셀 표면으로 전달되면서 결국 모든 셀들이 전소되었다.
모듈 내부로 주입된 물이 냉각효과를 발휘하기 위해서는 물이 셀 표면과 최대한 많이 접촉하여 열을 흡수한 후 배출되어야 한다. 실험에 사용된 모듈의 구조는 물 주입구와 출구가 일직선으로 연결되어 있어서 주입된 물의 대부분이 셀 표면과 접촉하기보다는 흐름에 대한 별다른 저항 없이 그대로 배출된 것으로 판단된다. 따라서 20 min간 물을 주입했음에도 불구하고 열폭주는 계속 전파되어 모든 셀들이 전소된 것이다.
모듈 내부로 주입되는 물과 셀과의 접촉시간을 늘리기 위해 Figure 9와 같이 물 주입구와 출구의 위치를 대각선으로 배치하고 열폭주 화재 진압실험을 실시하였다. 기존의 주입구는 막고 다른 조건들은 앞의 실험과 동일하게 적용하였다.
Figure 10은 물 주입구의 위치를 변경하고 실시한 열폭주 화재 진압실험 후의 모듈 내부 셀들의 상태를 보여준다. 이벤트 셀과 인접했던 1개의 셀까지만 열폭주가 전파되었고 나머지 셀들은 열폭주가 전파되지 않았다. 실험 종료로부터 24 h 경과 후, 열폭주가 전파되지 않은 26개의 셀에 대해 전압을 측정해본 결과 평균 3.69 V의 값이 나왔다.
열폭주 화재 진압실험 동안 온도센서로 측정한 셀 표면의 온도 변화들을 Figure 11에 나타내었다. 이벤트 셀(①번)에 부착된 온도센서는 1240.5 ℃까지 기록되고 나서 신호가 끊어졌다. 이는 열폭주에 의한 온도 상승을 더 견디지 못하고 센서가 손상된 것으로 보인다. 이벤트 셀에서 열폭주가 발생하고 나서 약 76 s 후, 14번째 셀(②번)의 온도가 순간적으로 1231.4 ℃까지 올라갔다가 내려왔다. 실험 후 14번째 셀의 전압은 3.69 V로 측정되었다. 모듈 내부의 셀들은 열폭주 발생으로 인해 고온의 환경을 겪었을 뿐 아니라 20 min간 물과 접촉하는 조건에 있었다. 또한 실험 후에도 모듈 내부에 물이 고여있었기 때문에 셀들은 최소한 24 h 이상 물에 젖은 상태로 있었다. 이러한 이유로 일부 방전이 일어났을 것으로 판단된다. Figure 10의 셀 상태와 함께 비교 분석해보면 14번째 셀에서는 열폭주가 발생하지 않았음을 알 수 있다. 따라서 14번째 셀의 순간적인 온도 상승은 셀들의 순차적인 열폭주 전파에 의한 것이 아니라 이벤트 셀에서 발생한 고온의 연소가스가 이동하면서 순간적으로 영향을 준 것으로 판단된다. 20 min간 물을 주입하고 있는 상황에서도 15번째 셀은 최대 254.7 ℃까지 온도가 올라갔고, 28번째 셀은 최대 77.4 ℃까지 온도가 올라간 것으로 보아 고온의 연소가스와 열을 흡수한 물이 이동하면서 열에너지가 전달되었음을 알 수 있다.
모듈 내부로 주입된 물의 경로가 길어지고 체류 시간이 늘어나게 되면 고온의 연소가스뿐만 아니라 열폭주가 발생한 셀과의 접촉시간도 늘어나게 되므로 물이 더 많은 열에너지를 흡수한 상태에서 외부로 배출된다. 즉, 냉각수의 열교환 효율이 증가하게 되는 것이다. 한 개의 셀에서 발생하는 열폭주 에너지가 상당히 크긴 하지만 물을 연속으로 주입하여 효과적으로 열에너지를 흡수할 수 있다면 열폭주의 전파를 저지할 수 있음을 확인하였다.
열폭주 화재 진압실험 중 모듈 내부와 외부(실험실)의 공기 온도를 측정한 결과를 Figure 12에 나타내었다. 이벤트 셀에서 열폭주가 발생하는 순간 모듈 내부 공기의 온도는 순간적으로 최대 486.1 ℃까지 상승하였다. 센서의 설치 위치에 따라 최대 온도값은 달라질 수 있겠지만 셀 1개에서 열폭주가 발생하는 순간 고온의 연소가스가 방출되어 모듈 내부에서 이동하였음을 확인할 수 있었다. 시험실 내부 공기 온도는 최대 48.1 ℃까지 올라갔다. 실험실 공기 온도를 순간적으로 상온에서 48.1 ℃까지 올렸다는 것은 많은 열에너지가 방출되었음을 뜻한다. 따라서, ESS의 열폭주 화재를 진압하기 위해서는 배터리의 용량과 방출되는 최대 열에너지를 충분하게 극복할 수 있을 정도의 냉각수 양을 정하는 것이 중요하다. 여기에는 냉각수 뿐만 아니라 냉각성능이 있는 소화약제들을 적용해도 가능할 것으로 보인다.
이번 실험을 통해 ESS의 열폭주 화재를 진압하기 위해서는 모듈의 물 주입구와 배출구의 위치가 중요함을 알 수 있었다. 물의 냉각효율을 높이기 위해서는 물과 셀과의 접촉시간을 최대한 늘려야 한다. 따라서 모듈의 구조를 분석하여 물의 주입구와 배출구의 위치를 최적화하여 설계하고 배터리의 열에너지를 분석하여 냉각수의 양과 유속을 정한다면 보다 적은 양의 물을 사용하여도 ESS 화재를 진압할 수 있을 것으로 사료된다.
5. 결 론
ESS 화재 진압기술을 개발하기 위해 모듈 내부로 물을 주입하여 열폭주 화재를 진압하는 실험을 수행하였다. 열폭주 발생 즉시, 모듈 내부로 물이 주입되었을 때, 주입된 물이 배터리의 열을 효과적으로 흡수하고 배출된 경우 화재 진압 뿐 아니라 셀 간 열폭주의 연쇄적인 전파도 정지시킬 수 있었다. 반면, 같은 양의 물이 모듈 내부로 주입되더라도 배터리의 열을 효과적으로 흡수하지 못하고 배출된 경우에는 열폭주가 전파되어 모든 셀들이 전소되었다. 이번 실험을 통해 ESS의 열폭주 화재를 진압하기 위해서는 모듈의 물 주입구와 배출구의 위치가 중요함을 알 수 있었다. 물의 냉각효율을 높이기 위해서는 물과 셀과의 접촉시간을 최대한 늘려야 하기 때문에 모듈의 구조를 분석하여 주입된 물이 배터리와 최대한 접촉할 수 있도록 입구와 출구의 위치를 정하는 것이 중요하다.
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