 ESS 사고원인 조사결과 발표 화재사고 23건 분석, 76개 항목 시험실증
산업통상자원부(이하 산업부)는 2018년 5월부터 ESS 설비와 관련해 집중적으로 화재가 발생함에 따라 인명피해 방지를 위해 선제적 조치로 다중이용시설에서의 ESS 설비의 가동을 전면 중단했다. 더불어 사고원인을 규명하고 근본적인 대책을 세우기 위해 작년 12월 27일에 ‘민관합동 ESS 화재사고 원인조사위원회’(이하 조사위)를 설치하고 활동에 들어갔다. 그리고 5개월여의 조사를 마치고 2019년 6월 11일에 조사 결과와 함께 ESS 화재사고 재발 방지를 위한 안전 강화 대책을 공개했다. 여기에 더해 산업부는 ESS 산업생태계 경쟁력 지원방안도 발표했다.
정리 강창대 기자
ESS와 관련한 학계와 연구소, 시험인증기관 등 19명의 전문가로 구성된 조사위는 활동기간 동안 모두 23개의 사고현장에서 조사와 자료 분석, 그리고 76개 항목의 시험실증을 실시했다. 시험실증은 한국산업기술시험원 등 9개 기관, 약 90여 명의 인원이 참여했다고 한다.
분석결과, 전체 23건의 화재사고 중 14건은 충전완료 후 대기 중에 발생하였으며, 6건은 충·방전 과정에서, 3건은 설치 및 시공 중에 발생한 것으로 확인했다. 사고의 원인으로는 전기적 충격에 대한 배터리 보호시스템 미흡, 운영환경 관리 미흡, 설치 부주의, ESS 통합제어 및 보호체계 미흡 등 4가지 요인이 확인됐다.
조사위는 일부 배터리 셀에서 제조상 결함을 발견하였으나, 이러한 결함을 모사한 실증에서 화재가 발생하진 않았다고 한다. 다만, 제조결함이 있는 배터리를 가혹한 조건에서 장기간 사용하면, 제조 결함 역시 위험요소가 될 수 있다고 밝혔다.
배터리 시스템의 결함
이번 조사에서 다수의 사고가 동일한 시기에 동일한 공장에서 생산된 배터리를 사용한 것이 확인됐다. 이에 조사위는 셀을 해체해 분석에 들어갔고, 특정 제조사의 셀에서 ▲극판 접힘, ▲절단 불량, ▲활물질 코팅 불량 등의 제조 결함이 확인됐다. 조사위는 시험실증을 위해 극판접힘과 절단불량을 모사한 셀을 제작해 충전 및 방전 시험을 180회 반복했다. 그러나 이러한 결함이 발화로 이어질 수 있는 셀 내부의 단락은 발생하지 않았다고 한다.
조사위는 또, 배터리의 안전성을 확인하기 위해 배터리시스템 단락 시험을 실행했다. 그 결과 랙 단락 시험에서 제조사 두 곳의 배터리 보호장치의 직류접촉기가 폭발하거나 융착이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
이외에도 셀 구성물질을 분석했고, 배터리의 성능과 안전을 제어할 뿐만 아니라, 셀 간의 전압과 온도편차를 제어하는 BMS(Battery Management System) 작동을 확인했다. 그리고 배터리의 완전충전 후 추가적인 충전이 어떠한 영향을 주는지 시험하기도 했지만 화재를 일으킬 만한 요소는 발견되지 않았다고 한다.
 셀 분리  음극판 접힘  음극판 절단 불량  양극 활물질 코팅 및 절단면 불량
전기충격에 대한 보호체계 미흡
이번 조사에서 전기적 위해요인 가운데 지락과 단락에 의해 과전압이나 과전류가 발생하는 전기충격이 배터리 시스템에 유입될 경우 화재가 발생할 수 있다는 점이 실증했다. 실증은 ▼직류측 단락, ▼PCS 교류측 지락, ▼PCS 부품단락, ▼전자파 내성 등에서 이루어졌다.
먼저 직류측 단락 실증시험을 살펴보면, 과전압이나 과전류를 발생시키는 외부의 전기충격으로 배터리 보호장치의 부품이 손상되어 단락이 일어날 수 있다. 이를 모사한 시험의 결과, 배터리 랙 보호장치 내에 있는 직류접촉기(DC Contactor)가 폭발했다. 그리고 전선의 기능을 수행하는 동판인 버스바(Busbar)가 파손되어 배터리 랙 보호장치의 외함을 타격하는 2차 단락 사고가 발생하면서 동시다발적인 화재가 발생했다.
사고 현장에서 전력변환장치(PCS) 내부의 교류측 필터(리액터)가 탄화된 흔적이 관찰됐다. 이에 따라 교류 측 전기가 외함에 닿는 지락사고를 모사한 시험에서 배터리 측에 전기충격이 발생했다. 이 시험을 몇 차례 반복해 수행한 결과, 배터리 랙 보호장치 내의 직류접촉기의 절연성능이 떨어질 경우 화재가 발생할 수 있음이 확인되었다고 한다.
그리고 교류와 직류를 상호 전환해주는 전력반도체인 스위칭소자가 소손될 경우, PCS 내부의 직류 및 교류측 양단이 단락되는 고장사고가 발생할 수 있다. 이를 실증한 결과, 계통과 배터리측에서 PCS로 유입되는 대전류가 확인됐다. 그러나 PCS의 차단기가 작동하여 화재로 이어지지는 않았다고 한다.
이외에도, PCS의 전자파 방출로 배터리시스템이 오작동할 가능성이 있다. 이를 검증하는 시험에서 다수의 제품이 국제기준(CISPR 11 : 산업·과학·의료용기기 전자파 방해 특성)을 초과했다고 한다. 그러나 배터리 제조 3개 사(社) 제품이 충분한 내성이 있는 것으로 확인됐다.
 직류접촉기 파손 버스바 이탈로 아킹 발생  전선 소손  배터리 랙 화재 발생
운영환경관리 미흡
운영환경과 관련해서는 수분이나 분진, 온도편차 등에 따른 문제점을 검증했다. 사고 현장에서는 공조기 주변에 용융흔적이 발견되기도 했다. 산지나 해안가는 일교차가 발생한다. 이런 곳에 설치된 ESS는 결로와 먼지 등 열악한 환경에 노출되기 쉽다. 배터리 모듈 안에 결로의 생성과 건조가 반복되면서 먼지가 눌러 붙게 되면 외함 간의 접지부분에 절연성능이 떨어져 화재를 일으킬 수 있다. 또, 몇몇 제조사의 배터리 모듈에 설치된 냉각팬은 공기의 흐름을 만들어 먼지와 수분의 이동경로가 될 수 있다. 뿐만 아니라, 분진에 관한 배터리 관리기준이 있음에도 현장에서 잘 지켜지지 않는 것도 확인이 됐다고 한다.
이에 배터리 시스템에 수분과 분진, 염수 등의 환경을 모사하여 절연성능을 살펴보는 시험이 실시되었다. 그 결과, 특정 제조사의 배터리에서 모듈 내의 절연성능이 저하되면서 화재가 발생했다.
 수분 및 분진 시험
 분진 및 염수 시험
 ESS는 태양광, 풍력 등에서 발전되거나 전력계통으로부터 공급된 전력을 배터리에 저장한 후, 필요한 때에 공급할 수 있는 시스템이다. ESS는 배터리, 전력변환장치(PCS), 관리 소프트웨어(BMS, PMS, EMS) 등이 전력흐름을 통합적으로 제어·관리해야 하는 새로운 전력설비이다.
벽면과 통로의 온도편차가 배터리 모듈 내에 온도편차를 발생시키기도 한다. 이외에도, 주변지역에 발생한 낙뢰로 인해 강한 전하가 암반으로 된 지표면을 통해 배터리 실에 유도되는 경우도 있다. 이때 배터리 보호장치 등에 끼치는 영향을 검증한 결과 화재가 유발되지는 않았던 것으로 확인됐다.
통합관리체계 부재
조사위는 사고현장 조사와 기업 면담조사, 실증시험 과정에서 ESS의 설계와 운영이 배터리와 PCS 등과 같은 구성품을 하나로 통합하여 시스템 차원에서 관리되거나 보호되지 못한다는 사실을 확인했다고 한다. 이에 따르면, BMS와 PMS, EMS 간에 정보공유 치계가 미비했고, PCS와 배터리 간의 보호체계의 작동순서가 없었다. 뿐만 아니라, PCS 고장수리 후 배터리의 이상 유무 확인 없이 시스템이 재가동되거나 교류와 직류 측 지락감지장치 간의 충돌이 일어나기도 했다. 이러한 현상을 종합하면 통합관리체계가 미흡한 사례가 다수 확인됐다고 한다.
안전강화 계기로 질적 성장 지원
정부는 위와 같은 사고원인의 시험 및 실증 결과를 토대로 ESS의 제조와 설치, 운영에 이르는 단계마다 안전관리를 강화하고, 소방기준 신설을 통해 화재대응 능력을 제고하는 종합적인 안전강화 대책을 시행하겠다고 밝혔다.
기존 사업장의 안전조치에 대해서는 ‘ESS 안전관리위원회’(5월 17일 구성)가 사업장별 특성을 고려한 조치사항을 권고하였으며, 정부는 이러한 권고를 바탕으로 업계와 협업을 통해 기존 사업장의 안전조치 및 재가동을 추진할 계획이다.
정부는 또, 이번 ESS의 안전제도 강화 조치를 기반으로 우리 ESS 산업 생태계의 질적 성장을 위해 분야별 경쟁력 강화를 지원할 계획이다. ESS 핵심 구성품인 배터리 분야에는 화재 위험성이 적고 효율이 높은 차세대 배터리 개발 및 조기 상용화를 지원하고, PCS는 신뢰성 및 안전성 강화기능 향상을 위한 기술개발을 지원할 예정이다. 이외에도, ESS 생태계 전분야 구성원들이 참여하는 ‘ESS 협회’(가칭) 설립을 추진해 업계 소통과 협업 수준을 대폭 제고할 계획이라고 밝혔다.
※ 단계별로 안전관리 강화와 기존 사업장의 안전조치 및 재가동, ESS 산업 생태계의 질적 성장을 위해 분야별 경쟁력 강화를 지원하는 등의 구체적인 내용은 76페이지 <Zoom In>에서 이어집니다.
<Energy News>
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