1. 서 론
우리나라는 정부의 신재생에너지 정책에 따라 2017년부터 전국적으로 ESS (Energy Storage System)가 설치되기 시작하였다. 최초의 ESS 화재는 2017년 8월 전북 고창에 있는 풍력발전 연계용 ESS에서 발생하였다. 이듬해인 2018년도에는 ESS 화재 발생이 16건으로 급격하게 증가하였음에도 불구하고 전소될 때까지 화재를 진압할 대응방법을 찾지 못해 사회적 이슈가 되었다. 정부에서는 “민관합동 ESS 화재사고 원인조사위원회”를 설치하여 5개월 여간 집중 조사활동을 벌인 후 결과를 발표하였다. 당시 조사된 ESS 화재의 주요 원인은 전기적 충격 요인에 대한 보호체계 미흡, 배터리 시스템 결함, ESS 통합관리체계 부재 그리고 운용환경관리 미흡 및 설치 부주의 등의 4가지 요인으로 정리되었다(MTIE, 2019).
ESS 화재는 2차전지를 활용한 새로운 개념의 에너지 정책을 추진하는 과정에서 화재안전에 대한 대비가 충분하지 못했기 때문에 발생한 문제이다. 이에 따라 소방청은 2022년도에 ｢전기저장시설의 화재안전기준｣을 제정하였고 몇 차례 개정을 거쳐, 현재 ｢전기저장시설의 화재안전성능기준(NFPC 607)｣을 운용해오고 있다. NFPC 607은 ESS에 스프링클러설비의 설치를 의무화하고 있지만, 화재안전성능이나 배터리용 소화장치의 성능을 인증받을 경우 스프링클러설비의 설치를 면제해주고 있다(NFPC 607, 2024). NFPC 607이 운용되면서 ESS 화재 발생 빈도가 줄어들긴 했지만 2017년부터 2024년 6월까지 총 55건의 ESS 화재가 발생하였으며, 최근까지도 ESS 화재가 계속 발생하고 있다(FPN Daily, 2024).
리튬이온 배터리의 열폭주에 의해 발생하는 ESS 화재는 기존의 화재 분류방법(A급, B급 등)으로 구분하기 어려워 아직까지 분류가 정의되지 못하고 있다. 리튬이온 배터리의 열폭주는 매우 빠른 발열반응일 뿐만 아니라 가연성 가스까지 발생시키기 때문에 초기에 정지시키지 못하면 점점 더 대응이 어려워지게 된다(ANSI/CAN/UL 9540A, 2019; KFA, 2022). 리튬이온 배터리의 연쇄적인 열폭주 전파를 막으려면 발열반응을 정지시켜 가연성 가스의 발생까지 멈추게 해야 한다(Koch et al., 2018; Quintiere, 2020). 따라서 배터리의 열폭주 화재를 초기에 진압하기 위해서는 냉각기술을 이용하는 것이 매우 중요하다.
국내에 ESS가 설치되던 초창기에는 배터리실에 전역방출방식 가스계 소화설비가 설치되었으나 화재가 발생할 때마다 배터리실이 전소되어 무용지물로 평가되었고 스프링클러설비가 유일한 대안이었다. 그러나 스프링클러설비는 배터리실 외부로 화재가 확산되는 건 막을 수 있지만 리튬이온 배터리의 열폭주 전파는 정지시킬 수 없기 때문에 모든 배터리가 전소되는 것을 막을 수는 없다. 또한 스프링클러설비는 물을 사용하므로 열폭주 화재 진압 여부와 상관없이 한 번 작동되면 배터리실의 모든 배터리들은 재사용이 불가하고 교체되어야 한다. 비전기전도성 물질인 할로겐화합물 소화약제가 ESS에 대한 초기 화재진압성능이 보장된다면 수계 소화약제에 비해 배터리 피해 및 복구 비용을 획기적으로 줄일 수 있다는 장점이 있다.
본 연구에서는 ESS에서 발생하는 리튬이온 배터리의 열폭주 화재를 초기에 진압하기 위해 할로겐화합물 소화약제를 전역방출방식이 아닌 냉각제로서 모듈 내부로 주입하는 최적의 방법을 찾고자 하였다.
2. 리튬이온 배터리의 열폭주 화재
리튬이온 배터리의 열폭주를 발생시키는 요인으로는 배터리의 자체 결함이나 노화 외에 외부로부터의 기계⋅전기적인 충격, 과충전, 온도 상승 등이 있다. 열폭주를 유발하는 요인이 무엇이든 상관없이 열폭주는 결국 배터리 내부의 발열반응을 거쳐 발생한다. 리튬이온 배터리가 가열될 때 첫 번째 발열반응은 SEI (Solid Electrolyte Interphase) 층 분해(80 ℃~120 ℃)와 음극 리튬과 전해질 사이의 후속 상호작용과의 반응이다. 더 가열되면 양극에서 산소가 방출되며 전해질과 상호작용을 하면서 더욱 강렬한 발열반응에 의해 열폭주가 일어난다(Galushkin et al., 2018).
리튬이온 배터리는 열폭주가 발생하기 전에 온도 상승, 전압 강하, 오프가스 발생 등의 현상들이 나타나는데 이를 열폭주 전조현상이라고 한다. 오프가스에는 이산화탄소와 일산화탄소 외에 수소, 메탄, 에틸렌 등의 가연성 가스도 포함되어 있기 때문에 열폭주가 발생하면 화재로 발전할 수 있다(Lee et al., 2021). 특히 밀폐공간에 가연성 가스가 축적되면 폭발이 일어날 수도 있다.
Fig. 1은 리튬이온 배터리의 열폭주 화재에 대응하는 시간이 늦어질수록 소모되는 냉각제의 양이 급격하게 증가한다는 개념을 설명하는 그림이다(Hong, 2023). ESS에서 리튬이온 배터리의 열폭주 전조현상을 미리 감지하여 대응할 수 있다면 발열반응을 멈추게 하여 열폭주의 발생을 저지할 수 있다(①). 열폭주가 발생한 경우에도 일찍 대응할수록 보다 적은 양의 냉각제로 열폭주를 진압할 수 있다(②). 늦게 대응할수록 방출되는 열에너지가 기하급수적으로 커지기 때문에 소모되는 냉각제의 양이 더 많이 증가하게 된다(③).
2019년 미국 애리조나주 APS사의 ESS에서 발생한 ESS 폭발 사고를 계기로 전역방출방식 가스계 소화설비로는 오프가스 발생과 열폭주의 전파를 멈추게 할 수 없다는 것이 알려지게 되었다(Hill, 2020). 전역방출방식이란 밀폐공간이나 그와 비슷한 형태로 방화구획될 수 있는 구역 전체에 가스계 소화약제를 방출해서 소화하는 방식을 말한다. NFPA 855에서도 청정소화약제(할로겐화합물 소화약제) 시스템은 배터리 화재를 진압할 수 있지만 열폭주 또는 가스 방출은 막을 수 없다고 하였다. 또한 ESS에 전역방출방식 청정소화약제 시스템을 설치하고자 한다면 화재 진압 후 가연성 물질의 자연발화온도 및 열폭주를 유발할 수 있는 온도 이하로 냉각될 때까지 설계농도를 유지해야 할 것을 요구하고 있다(NFPA 855, 2023). 이러한 요구 사항을 만족시키기 위해서는 전역방출방식 소화설비 외에 추가로 냉각설비를 설치해야 하기 때문에 실효성 및 경제성 면에서 많은 문제가 있다. 따라서 할로겐화합물 소화약제를 전역방출방식이 아닌 냉각제로서 모듈 내부로 직접 주입하는 방식이 더 효율적이고 경제성이 있을 것으로 판단된다.
3. 실 험
3.1 리튬이온 배터리 모듈
LG에너지솔루션의 파우치형 배터리 셀(NCM) 28개로 구성된 모듈이 실험에 사용되었다. 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 |
3.2 실험 방법
모듈의 모든 셀들을 90% 이상(4.16 V) 충전시킨 후, 1개의 셀에 필름히터를 부착하여 열폭주를 발생시켰다. 여기서 필름히터가 부착된 셀을 이벤트 셀이라 한다. 필름히터가 부착된 셀과 K 타입 열전대가 부착된 위치를 Fig. 3에 나타내었다. 이벤트 모듈과 접하고 있는 더미모듈의 표면에도 열전대(⑥, ⑦)를 설치하였다. 그 밖에 모듈 내부와 외부(실험실)의 공기 온도를 측정하기 위한 열전대(⑤, ⑧)도 설치하였다. 모듈로 주입된 소화약제가 셀과 최대한 접촉할 수 있도록 하기 위해 소화약제의 입구와 출구를 Fig. 3과 같이 대각선의 위치로 배치하였다.
Fig. 4에 열폭주 화재 진압실험 장치도를 나타내었다. 실험실(2.4 m × 3.0 m × 2.6 m) 내부에 모듈을 설치하고 열폭주가 발생할 때까지 7 ℃/min의 속도로 이벤트 셀을 가열하였다. 가열속도는 온도 컨트롤러(Yokogawa, UP35A)에 의해 조정되었다.
할로겐화합물 소화약제인 FK-5-1-12와 HFC-227ea가 소화약제를 겸한 냉각제로 사용되었다. Table 2에 두 소화약제의 물성을 비교하여 나타내었다(NFPA 2001, 2022). FK-5-1-12는 120 kg의 소화약제가 들어있는 용기에 질소가스로 가압하여 방출시켰다. HFC-227ea는 105 kg이 들어있는 용기가 사용되었으며 자체 가스압력에 의해 방출되었다. 두 소화약제는 모두 1/2 in 배관으로 모듈에 연결되었다. 열폭주가 발생하고 불꽃이 관찰되는 시점에 소화장치를 수동으로 작동시켜 소화약제를 20분간 모듈 내부로 주입시켰다. 소화약제의 공급 유량은 실험 전후 소화약제 용기의 무게를 측정하여 계산하였다. 열전대로 측정되는 온도 변화들은 DAQ (imc CX LITE DIO)를 이용하여 실시간으로 기록되었다.
4. 결과 및 고찰
Fig. 5는 FK-5-1-12 소화약제로 열폭주 화재를 진압하는 과정을 보여준다. 실험실 내부 온도는 29.2 ℃로 측정되었다. 열폭주 발생으로부터 1초 후 화재가 발생하였으며 11초 경과 뒤 소화약제가 주입되었다. 화염은 소화약제 주입으로부터 10초 만에 진압되었다.
Fig. 6은 실험 종료 후 열폭주 화재가 진압된 이벤트 모듈의 상태를 보여준다. 사진에서 보는 바와 같이 14개의 셀까지 열폭주가 전파되어 전소되었고 나머지 14개의 셀은 손상되지 않았다.
Fig. 7에 열전대로 측정한 셀 표면의 온도 변화들을 나타내었다. 이벤트 셀(①번)에서 열폭주 발생 후 FK-5-1-12 소화약제가 5.2 kg/min의 유량으로 20분간 주입되었다. 이벤트 셀의 온도는 최대 680.3 ℃까지 증가하다가 감소하였다. 약 11분 14초 경과 후 14번째 셀(②번)에서 열폭주가 발생하여 온도가 351.5 ℃까지 증가하였으나 소화약제의 지속적인 냉각에 의해 온도가 급격하게 떨어졌다. 그러나 소화약제의 주입이 끝났을 때 다시 온도가 상승하여 최대 259.2 ℃까지 상승하였다. 15번째 셀(③번)은 최대 128.6 ℃까지 올라갔으나 열폭주는 발생하지 않았다. 14번째 셀과 15번째 셀은 붙어있지 않고 사이에 약 30 mm의 거리가 있어서 열폭주의 전파가 일어나지 않은 것으로 판단된다. 28번 째 셀(④번)도 열폭주가 발생하지 않았으며 최대온도는 70.8 ℃이었다.
Fig. 7
Temperature Changes on the Cell Surfaces during the Suppression of a Thermal Runaway Fire Using FK-5-1-12
이벤트 모듈에서 열폭주가 진행되는 동안 모듈 내부의 공기 온도와 인접한 모듈 표면의 온도 변화를 Fig. 8에 나타내었다. 이벤트 모듈 내부의 공기 온도(⑤번)는 순간적으로 최대 263.8 ℃까지 올랐다가 급격히 떨어졌으며 이후 97.6 ℃ 이하로 유지되었다. 이벤트 모듈 위에 위치한 더미 모듈의 아래쪽 접촉면의 온도(⑥번)는 최대 145.3 ℃까지 올라갔다. 또한 이벤트 모듈 아래에 위치한 더미 모듈의 위쪽 접촉면의 온도(⑦번)는 최대 130.0 ℃까지 올라갔다. 이벤트 모듈과 접촉하고 있는 더미 모듈의 온도는 이벤트 셀(①번)의 열폭주 발생온도(250 ℃ 이상)보다 훨씬 낮기 때문에 더미 모듈에서는 열폭주가 발생하기 어려울 것으로 판단된다. 실험실 내부의 공기 온도는 열폭주가 발생하는 순간 최대 172.1 ℃까지 올라갔다.
Fig. 8
Temperature Changes of the Air Inside the Event Module and the Adjacent Module Surfaces during the Suppression of a Thermal Runaway Fire Using FK-5-1-12
Fig. 9는 HFC-227ea 소화약제로 열폭주 화재를 진압하는 과정을 보여준다. 실험실 내부 온도는 31.1 ℃로 측정되었다. 열폭주 발생으로부터 2초 후 화재가 발생하였으며 8초 경과 뒤 소화약제가 모듈로 주입되었다. 화염은 소화약제 주입으로부터 19초 만에 진압되었다. Fig. 10은 실험 종료 후 열폭주 화재가 진압된 이벤트 모듈의 상태를 보여준다. 사진에서 보는 바와 같이 2개의 셀까지만 열폭주가 전파되어 전소되었고 나머지 셀들은 손상되지 않았다.
Fig. 11에 열전대로 측정한 셀 표면의 온도 변화들을 나타내었다. 이벤트 셀(①번)에서 열폭주 발생 후 HFC-227ea 소화약제가 4.3 kg/min의 유량으로 20분간 주입되었다. 이벤트 셀의 온도는 최대 591.2 ℃까지 증가하다가 급격하게 0 ℃ 이하로 떨어졌다. 14번째 셀(②번)은 최대 온도가 37.9 ℃ 이며 열폭주가 발생하지 않았다. 15번째 셀(③번)도 열폭주가 발생하지 않았으며 최대 58.5 ℃까지 올라갔다. 28번 째 셀(④번)은 이벤트 셀에서 열폭주가 발생하는 순간 171.9 ℃ 까지 올라갔다가 바로 상온으로 떨어졌다.
Fig. 11
Temperature Changes on the Cell Surfaces during the Suppression of a Thermal Runaway Fire Using HFC-227ea
이벤트 모듈에서 열폭주가 진행되는 동안 모듈 내부의 공기 온도와 인접한 모듈 표면의 온도 변화를 Fig. 12에 나타내었다. 이벤트 모듈 내부의 공기 온도(⑤번)는 순간적으로 최대 38.3 ℃까지 올랐다가 0 ℃ 이하로 급격하게 떨어졌다. 이벤트 모듈 위에 위치한 더미 모듈의 아래쪽 접촉면의 온도(⑥번)는 최대 48.0 ℃까지 올라갔다. 또한 이벤트 모듈 아래에 위치한 더미 모듈의 위쪽 접촉면의 온도(⑦번)는 최대 40.1 ℃까지 올라갔다. 따라서 열폭주의 전파가 확실하게 정지되었음을 알 수 있다. 실험실 내부의 공기 온도는 열폭주가 발생하는 순간 최대 158.1 ℃까지 올라갔다.
Fig. 12
Temperature Changes of the Air Inside the Event Module and the Adjacent Module Surfaces during the Suppression of a Thermal Runaway Fire Using HFC-227ea
할로겐화합물 소화약제는 일반적으로 전역방출방식 가스계 소화설비에 널리 사용되고 있지만, ESS와 같은 리튬이온 배터리 화재에는 효과가 없다(Hill, 2020). 그러나 할로겐화합물 소화약제를 냉각제로서 모듈 내부로 주입할 경우 리튬이온 배터리의 열폭주 화재를 진압할 뿐 아니라 열폭주의 전파까지 정지시키는 데 효과가 있음을 확인하였다.
본 실험에서 모듈 1개의 열폭주 화재를 진압하기 위해 FK-5-1-12와 HFC-227ea 소화약제가 20분 동안 각각 5.2 kg/min과 4.3 kg/min의 유량으로 모듈 내부로 주입되었다. 모듈 내부로 주입된 소화약제 분자들이 모두 정상적으로 열을 흡수하였다고 가정하고 Table 2에 나타낸 소화약제의 기화열을 적용하여 각 소화약제가 흡수한 열량을 계산해보면, FK-5-1-12가 9,152 kJ 그리고 HFC-227ea가 11,403.6 kJ의 열량을 흡수하여 열폭주의 전파를 멈추게 했음을 알 수 있다. 만약 열폭주가 발생하기 전 전조현상을 감지한 시점에 냉각제가 주입된다면 더 적은 양으로도 열폭주의 발생을 막을 수 있다. 반면, 열폭주 발생 후 냉각제의 주입 시점이 늦어진다면 더 많은 양의 냉각제가 필요하게 된다. 리튬이온 배터리의 열폭주 에너지는 상당히 크지만, 그 열에너지를 충분히 극복할 수 있을 정도로 많은 양의 냉각제가 모듈 내부로 연속적으로 주입된다면 발열반응을 완전히 멈추게 할 수 있다.
ESS 화재진압장치를 설계할 때 배터리의 용량과 최대 방출열량도 고려해야 하지만 열폭주 전조현상이나 열폭주를 감지하는 시점도 매우 중요한 요소가 된다. 이에 따라 소화약제(냉각제)의 설계 양이 정해지기 때문이다. 특히 배터리 화재진압장치를 전기차에 적용하기 위해서는 경량화가 필수적이다. 따라서 향후 배터리 화재 감지기술과 접목하여 연구할 필요가 있다고 사료된다.
5. 결 론
ESS 화재를 초기에 진압하기 위해 모듈 내부로 할로겐화합물 소화약제를 주입하는 방법에 대해 연구하였다. FK-5-1-12와 HFC-227ea 소화약제가 전역방출방식이 아닌 냉각제로서 사용되었다. 두 소화약제 모두 열폭주 화재 발생 즉시 모듈 내부로 20분간 주입되었을 때 화재 진압 뿐 아니라 열폭주의 전파를 중단시켜 모듈이 전소되는 것을 막을 수 있었다. 또한 인접한 모듈로의 열폭주 전파까지 차단할 수 있음을 확인하였다. FK-5-1-12는 104 kg이 소모되어 9,152 kJ의 열량을 흡수하였고 HFC-227ea는 86 kg이 소모되어 11,403.6 kJ의 열량을 흡수하였다. 이번 실험을 통해 냉각 성능이 있는 할로겐화합물 소화약제를 신속하게 모듈 내부로 지속적으로 주입할 경우 ESS 화재를 진압할 수 있음을 확인하였다. 비전기전도성 물질인 할로겐화합물 소화약제를 사용할 경우 물을 사용했을 때보다 배터리를 손상없이 보존할 수 있다는 장점이 있다.
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