KFI Technology > KFI칼럼 KFI Technology > 기술기준 제·개정 사항 KFI Technology > 제7회 소방산업 우수디자인 공모전 수상작 소개
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1. 서론
현대 사회에서 산업이 발달함에 따라 석유화학제품을 생산 및 사용하면서 환경파괴나 온난화 현상이 나타나게 되었고 이에 따라 환경개선을 위한 친환경사업에 투자를 하고 있다. 그 중 사용빈도 많은 전기에너지에서도 생산하는 방법을 친환경적으로 할 수 있는 개발정책을 추진하고 있다. 전기에너지의 발전은 원자력 발전, 화력발전, 태양광 발전 등 다양하게 사용되고 있다. 전기에너지는 현대사회의 필수적 도구이며, 수요가 꾸준히 늘고 있다. 국내에서도 친환경 정책에 따라 신생에너지 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 보다 안전하고 편리한 에너지 개발 정책을 추진하고 있다. 환경의 중요성을 고려한 전기에너지 생산사업의 추진과 친환경 에너지 생산에 초점을 맞춰 개발하고 있는 것은 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 진행되고 있는 실정이다.
친환경적 개발 및 생산사업을 통해 탄소 배출량을 최소화 하고 안전하며 생산비용을 절감하고, 필요할 때 언제나 사용할 수 있으며, 에너지 효과를 극대화 할 수 있는 자연친화적 에너지를 얻을 수 있다. 친환경 에너지 생산의 효율적인 방법으로는 태양광 발전, 풍력발전이 있고, 이를 발전된 전기를 배터리에 저장하여 필요할 때 공급할 수 있도록 에너지 저장장치(ESS)가 사용되고 있으며 빠른 속도로 발전되고 있다.
그러나 전기에너지는 편리한 점이 있는 반면 위험성도 내포하고 있는 것이다. 태양광이나 ESS는 친환경에너지를 생산한다는 이점은 있으나 전기에너지를 생산하고 보관하는 과정에서 화재위험성이나 모듈을 구성하고 있는 카드뮴이나 납 등의 중금속이 포함되어 있어 유출시 토질이나 환경을 오염시킬 수 있는 단점도 있다.
2. ESS의 이론적 고찰
ESS는 에너지 저장장치로 배터리, 인버터, 제반운영시스템(BMS, PMS)이 하나로 이루어진 시스템이다.
2.1 배터리
ESS에 사용하는 배터리는 리튬이온 배터리(Lithium ion battery)로 니켈 카드뮴이나 수소배터리에 비해 밀도가 높기 때문에 부피가 작고 메모리 기능이 없어 사용이 편리하다.
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Table 1. Battery System(출처: Google.com)
하나의 배터리는 여러 개의 셀(Cell)을 모아 하나의 모듈을 만들고, 모듈을 직렬과 병렬로 연결하고 하나의 랙(Rack)을 만든다. 셀의 구성을 살펴보면 양극재(cathode material), 음극재(anode material), 분리막(Separator), 유기전해질(organic electrolyte) 등으로 구성되어 있다.
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Figure 1. 리튬이온 배터리 구조(출처: Google.com)
배터리 충전은 Figure 1. 방전시에는 전압이 높은 음극에서 전압이 낮은 양극으로 전자가 이동하고, 충전시에는 전압이 낮은 양극에서 전압이 높은 음극으로 전자가 이동한다. 리튬이온 배터리는 충전과 방전을 반복해서 사용하게 되는데 이때 전자의 이동이 활발하게 나타나게 된다. 리튬이온 배터리에 충전과 방전을 반복할 때 나타나는 위험요소들을 살펴보면 충전전압, 방전전압, 충전시 상승하는 배터리 온도, 셀의 전압 차, 랙(Rack) 설치조건 등이 배터리의 수명을 좌우한다. 배터리는 직렬과 병렬로 연결하여 전압을 얻는다. 직렬로 연결할 경우 리튬이온 배터리 1개의 셀의 전압이 다르게 나타난다. 2.4v~2.7v로 ±3v차이가 있으며, 또 다른 배터리의 경우 3.4v~3.7v로 역시 전압차이가 ±3v이다. 이 경우 배터리 부하의 불균형이 발생하여 전압 차이에서 오는 셀의 변화가 발열형태로 나타난다. 각 배터리를 직렬로 연결하고 원하는 전압을 얻기 위하여 다시 병렬로 연결하는데 이 방법을 평준화 하기 위해 병렬로 연결하고 직렬로 연결한다면 전압 차이에서 오는 셀 발열의 불균형을 최소화 할 수 있을 것이다.
2.2 모듈(module)
태양전지는 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 기능을 가진 최소단위이다. 이는 셀(cell), 모듈(module), 어레이(array) 나눠지며 셀이 모여 모듈이 되고, 모듈이 모여 어레이를 만든다.
어레이는 태양으로부터 빛을 받아 에너지를 생산하여 접속반(Module Junction Box)으로 송전한다. 접속반(Module Junction Box) 어레이로부터 받은 DC 전력을 모아 인버터로 송전하는 전기장치이다. module이 접속된 각각의 채널에서 인입된 DC 전기의 역류를 방지하기 위하여 다이오드(Diode)를 직렬로 연결하여 인버터 입력단에 직류전원을 공급하는 기능이 있다. 또한 모듈의 발전상황을 실시간을 감시하는 기능이 있는 장치이다.
2.3 인버터(Inverter)
접속반으로부터 온 DC전력을 AC전력으로 변환하는 장치이다. 즉 어레이, 접속반을 통해 인입된 DC전기를 AC전기로 변환시켜 송전할 수 있는 전기형태로 바꿔주는 설비로 배전 전력망에 연결하기 위한 필수 장치이다. 태양전지 모듈 어레이로부터 발전된 직류전원을 공급받아 정전압, 정주파수의 안정된 교류전원을 공급하는 장치로서 계통선과 병렬 운전하여, 태양전지의 직류전압에 따라 자동 기동 및 정지 시스템을 갖춘 것으로 사용하여야 한다. 냉각방식은 강제 공냉식을 채택하고 있으며, 원격감시가 가능한 통신체계가 갖추어져 있고 이상발생 시 경보확인기능, 복귀, 취소, 경보내역 저장기능이 구성되어 있는 제품이다.
따라서 모니터링 시 근무자가 즉시 확인이 가능하고 즉시 대처 할 수 있는 시스템으로 구축하여야 한다.
2.4 모니터링
태양광 발전설비의 효율적인 운영을 위하여, 발전설비 전반에 대하여 원격 감시 및 측정시스템을 도입하여, 시스템의 효율적인 운영, 고장감시 및 관리를 용이하게 할 수 있어야 한다. 또한 계통 연계형 인버터를 사용하여 태양전지 모듈 어레이로부터 발전된 직류전원을 공급받아 정전압, 정주파수의 안정된 교류전원을 공급하는 장치로서 계통선과 병렬 운전하여, 태양전지의 직류전압에 따라 자동 기동 및 정지 시스템을 갖춘 것으로 설치하여야 한다. 태양광 발전 접속모듈의 채널별 통신으로 주요 장치들의 가동상태, 전력 생산 상태 등을 감시하는 장치이다. 통신채널은 배터리 Rack 개수 이상 가능한 구조로 설치하며, 통신방법은 Balance방식으로 데이터 전송에 접지를 사용하지 않기 때문에 장거리 송신이 가능하고 여러 채널까지 통신이 가능하다. 또한 스마트폰을 통해서도 서버화면 그대로 모니터링이 가능하도록 구성하여야 한다.
3. 화재사례
ESS 설비에서 발생한 화재사례는 2017년 8월부터 현재까지 약 28건의 화재가 발생하였다. 가동 중인 ESS 설비에서 화재가 발생하고 있어 일부사업은 중단된 상태이다.
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Table 2. 주요 ESS 화재 발생현황
(출처: ESS 셀 열폭주 원인 및 확산방지에 관한 연구 발췌)
태양광 발전과 연계하여 사용하는 ESS 사업장에서 9건이 발생하였고, 화재원인은 BMS 오류, PCS 손괴, 공사 주부의 등으로 추론되고 있으며, 현재까지도 정확한 원인은 조사 진행 중에 있다. ESS 설비에서 어떤 이유에서 화재가 발생하면 진압에 어려움이 있다는 점이다. 태양광 설비에서 화재가 발생하면 외부에 노출되어 있어 연소 확대를 저지하는데 문제점은 적지만 태양광 연계설비의 경우 어레이(Array)에서 모듈정션박스(MJB)까지 활선상태를 반드시 확인하고 진압방법을 강구하여야 한다. ESS에서 화재가 발생하면 전소된다는 문제점이 있고, 리튬이온 배터리를 구성하는 요소들은 금수성물질이 포함되어 있어 화염에 노출되었을 때 진압에도 어려움이 있다.
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Table 3. ESS 사고현황
(출처: ESS 원리와 화재통계 분석연구 발췌, 소방청 및 김규화 의원실)
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Figure 2. 강원 평창군 미탄면 평안리 풍력발전소 ESS실에서 불이 나 화염이 치솟고 있다.
(출처 : 평창소방서 제공, 2019년 9월 24일)
3.1 화재진압
ESS에서 화재가 발생하면 진압주수에 의한 냉각소화 방법과 화재원인이나 가연물을 분리하는 제거소화 방법이 있다. 배터리화재의 특징은 충전된 양전자와 음전자가 완전하게 방전될 때까지 지속적으로 전기를 방전한다는 사실이다. 다량의 주수로 냉각시키는 방법과 배터리와 주변 구조물을 분리하여 진압하는 방법이 있는데 현장 상황에 따라 진압방법을 달리하여야 한다.
연소 확대저지와 동시에 화재를 진압하는 방법은 다량의 물로써 진압하는 방법이다. 화재를 완전하게 진압하려면 배터리 자체를 물속에 넣는 듯한 주수소화가 필요하다. 그러나 ESS가 보관된 장소가 밀폐된 공간이라면 주변 가연물을 제거하여 연소 확대 방지에 주력하는 진압방법이 타당하다. 즉 화재를 활성화 하여 방치하는 방법이다.
3.2 화재예방
배터리 연결된 BMS와 연계하여 배터리 온도를 제어할 수 있도록 하고 BMS외 배터리 온도감지기를 설치하여 충․방전시 발생하는 온도변화를 감지하도록 하는 시스템을 도입하여 소화설비 또는 냉각설비와 연동하도록 설치하여야 한다.
화재원인이 정확하게 밝혀지지 않은 상황에서 정확한 예방대책은 없다. 다만 ESS화재의 경우 대부분 배터리 실에서 발생하는 것으로 조사되고, 배터리 실온도, 충전전압, 통풍 등을 정확하게 제어할 수 있은 감지설비를 설치하여야 한다. 오동작 방지를 위해 열, 연기, 영상 감지기를 설치하여 제어반과 연동하도록 설치하는 것이 바람직하다.