최근 수년간 ESS(Energy Storage Systemㆍ에너지 저장장치) 화재가 잇따르고 있고 전기차 배터리 화재에 따른 위험성이 대두되는 상황에서 배터리 화재가 디지털 센터까지 확산되고 있다. 전문가들은 대형배터리의 수요가 폭발적으로 증가하는 상황에서 안전을 담보할 수 있는 기술ㆍ제도적 뒷받침이 필요하다는 입장이다.

이에, 한전 대구본부(본부장 박무흥)는 자체 운영 중인 FR-ESS(주파수조정용 ESS)의 화재 예방을 위해 화재 원인을 다각도로 분석한 결과 순간적인 전기적 충격에 의한 동시다발 화재 또는 리튬이온 배터리의 자체 열화에 의한 열폭주를 화재 원인으로 보았다고 밝혔다.

한전은 지난 2020년도에는 전기적 충격에 의한 화재 예방을 위해 보호장치 등을 보유설비에 적용하였고, 배터리 열폭주에 의한 화재 개연성 사각지대 해소를 위해서도 부단한 노력을 경주해 왔다. 그 결과 한전 전력관리처(처장 김재군)는 배터리 열폭주 예방대책으로 ‘ESS 배터리 열화진단·냉각시스템’을 개발했다고 밝혔다.

이번에 개발한 ‘ESS 배터리 열화진단ㆍ냉각시스템’은 리튬이온 배터리의 열폭주 전(前) 발열반응에 의한 Off-GAS(수소, 일/이산화탄소, 산소 등) 농도를 감지센서를 통해 확인하고, 열화 때 배터리의 온도상승 패턴 등 열화진단을 통해 운전 중인 배터리의 이상징후를 검출하는 시스템이다.

이를 통해 열화 배터리를 적기에 교체할 수 있고, 열화가 급속으로 진전되는 배터리에는 친환경 GAS(NOVEC 1230)를 지속적으로 분사함으로써 열폭주 전에 냉각시켜 화재 발생을 원천 차단할 수 있다.

이번 시스템 개발은 전기차 화재진압을 위해 최근 소방당국에서 개발한 소화용 저수조처럼 배터리 화재진압은 ‘냉각이 핵심’이라는 전제에서 시작되었으나, 단순한 화재진화의 목적이 아니라 운전 중인 배터리의 열화 상태를 실시간으로 진단하고 이상개소에 대한 자동 냉각으로 화재 발생을 사전에 차단하는 것이 가장 큰 기능이자 목적이다.

한전 대구본부는 “이번에 개발한 시스템을 자체 보유ㆍ운전 중인 FR-ESS 일부 개소에 시범 적용하기 위해 지난 27일에 착공하여 11월말 준공을 목표로 사업을 추진하고 있으며, 이후 개발품에 대한 효과분석을 통해 확대 여부를 결정할 계획”이라며 “ESS는 미래 에너지 패러다임에서 반드시 필요한 장치로 이와 같은 한전의 노력이 ESS의 안전성 향상에 기여할 수 있기를 기대해본다”고 밝혔다.

한전, ESS 화재확산 예방 위한 배터리 열화진단·냉각시스템 개발
ESS 배터리 열폭주 의한 화재 개연성 상존…예방 대책필요
화재징후 사전감지 및 진단, 배터리 열화 급속 진전시 냉각

한전 대구본부 전력관리처(처장 김재군)는 배터리 열폭주 예방 대책을 마련하기 위해 ‘ESS 배터리 열화진단·냉각시스템’을 지난 1월부터 약 11개월동안 개발했다고 밝혔다.

한전은 리튬이온 내부 잠재열에 의한 연쇄반응시 열폭주로 인한 화재 확산이 우려되고 있다고 밝혔다. 소방청 연구결과 90∼120℃ Off가스(O2, H2 등) 발생이 되면 열폭주(130℃∼)가 발생되며 화재 배터리 열폭주시 산소배출에 따른 질식소화 곤란으로 열폭주 전 냉각이 필요하다는 것이다.

개발 목표 및 내용을 살펴보면 우선 ▲열화진단시스템 구축으로 AI 기반 배터리 열화진단을 통한 적기교체다. △열화진단은 AI 기반, 배터리 온도와 Off GAS 실시간 진단 및 결과분석 으로 배터리 열화특성(온도, Off GAS) 실시간(1Sec) 비교 분석으로 불량을 검출한다. 이상징후 배터리의 열화특성 변동추이를 분석한다. 온도는 모듈내 온도센스 활용으로 초단위 Max 온도를 취득하며 Off GAS는 모듈단위 H2, CO GAS 센싱 및 컨테이너 내부 GAS 농도와 개리차를 비교한다. 또 △경보기능이다. 산포분석으로 이상징후 검출시 운전정지 및 경보가 발생(저장)된다.
그다음 ▲냉각시스템 설치로 배터리 열화 급속 진전시 열폭주 차단을 위한 자동냉각이 된다. 향후 추진계획은 154㎸ 논공S/S ESS, 열화진단·냉각시스템 시설공사(’22.10.27~11.25)와 배터리 열화진단ㆍ냉각시스템 시범운전(’22.12월~) 등을 실시할 계획이다.

◆ESS 배터리 열화진단·냉각시스템 개발 세부내용

ESS 화재 공통안전조치를 완료 하였으나, 열폭주에 의한 화재 개연성이 상존한다. 그동안의 추진경과를 살펴보면 본사, FR-ESS 화재예방을 위한 설비개선(안) 수립(’20. 5∼6월) 및 전기적충격에 의한 화재예방을 위해 정부 공통안전조치 외 통합보호체계 등 추가 보완, 그리고 FR-ESS(논공 등 13개소 376㎿) 설비개선 완료 후 재가동(’21.1월∼) 등이 있다.

◆추진내용

ESS 화재확산 예방을 위한 배터리 열화진단·냉각시스템 개발의 추진방향은 우선 △AI기반 배터리 열화진단을 통한 이상배터리 적기 교체다. 산포분석 기반으로 배터리 내부 발열 등 열화특성 활용으로 이상징후 진단 및 열화진단을 통한 불량설비 검출로 적기 교체다.
다음 △ESS 배터리 열폭주 전조현상 사전감지로 냉각을 통한 열폭주 차단이다. 배터리 열폭주 등 화재징후 사전감지 및 진단과 배터리 열화 급속진전시 냉각으로 열폭주 차단→화재 예방으로 나뉜다.

.◆기대효과

우선 정량적 측면에서 ESS화재 원천차단으로 화재시 발생하는 제각 및 복구비용 절감이 가능하며 자체개발 기술을 활용, 향후 ESS 제작사 기술지원시 추가이익 창출이 가능하다. 또 정성적 측면에서는 ESS 열화진단 및 화재차단을 위한 원천기술 확보(기술 고도화)가 가능하다. 열화진단 알고리즘 등 시스템 구축방안 특허 등록을 추진(출원완료, ’21.8월)하고 있다.