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VOL 01
2020 AUTUMN

KCL LIFE, 당신의 삶에 안전함의 점을 찍다

세계 최고의 ESS 화재안전성 시험 인프라 갖춰 기술안전을 선도하다

이차전지 화재안전성 시험평가 기술개발 및 검증센터 구축사업

KCL 홍보실 · 사진 KCL 홍보실, 김재이

한국건설생활환경시험연구원이 한국기계전기전자시험연구원(KTC)과 함께 정부에서 발주한 대용량 이차전지 화재안전성 검증센터 구축사업을 수행하게 됐다. 2022년 3월까지 20개월 동안 총 698억 원의 사업비를 투입해 삼척 소방방재산업연구단지 안에 ESS 화재안전성 검증센터를 구축한다. 9개의 국내외 산·학·연구기관 600여 명이 참여하는 대규모 사업으로, 이를 통해 구축될 30MW급의 실화재 시험 인프라로 세계의 이목이 집중되고 있다.
대한민국 미래 먹거리 사업을 보다 안전하게 키워내는 KCL의 새로운 사업을 만나보자.

KTC·KCL, ESS 산업의 재도약을 위한 세계적 시험 인프라 구축사업 수행

온실가스 저감, 친환경 에너지 이용 확산이라는 정부 정책에 힘입어 ESS의 보급량이 확대됨에 따라 화재 사고 발생 건수도 급격히 증가했다. 2017년 이후 28건의 화재 사고가 발생되었고, 이 중 4건의 화재사고 원인으로 배터리 이상이 언급되었다. 하지만 이차전지업계는 동일 제품을 해외에 설치했을 때 화재가 발생하지 않는다고 밝혔고, 따라서 화재의 직접적인 원인을 배터리 이상으로 보기 어렵다는 의견도 있다. 이처럼 명확한 화재 원인 규명이 어려워 국내 ESS 산업이 침체되어 있는 상황이다.

이에 정부가 안정적인 ESS 확대 여건을 마련하고 국내 이차전지업계의 수출 경쟁력 강화를 위한 지원사업으로 발주한 ‘대용량 이차전지 화재안전성 시험평가 기술개발 및 검증센터 구축사업’을 한국기계전기전자시험연구원(KTC)과 한국건설생활환경시험연구원(KCL)이 수행하게 되었다. 2020년 8월 1일부터 2022년 3월 31일까지 총 20개월이 소요될 예정이며, 국내외 9개 연구기관 600여명의 연구원이 참여하는 대규모 프로젝트이다.

에너지저장장치(Energy Storage System)는 ESS 전체를 통합 관리하는 PMS, 교류를 직류로 또는 직류를 교류로 변환하는 PCS와 저장장치로 구성되어 있고, 전력공급시스템 안정화, 에너지 이용 효율 향상, 계통의 주파수를 일정하게 유지하는 등의 용도로 사용할 수 있다. ESS 시스템에 위해 요소가 발현될 경우 차단기 또는 BMS 등의 안전장치가 1차적으로 위해요소를 제거해 주면 화재로 진행되지 않지만, 안전장치가 제대로 작동되지 않거나, 안전장치가 미처 감지하지 못하는 위해요인들이 발생될 경우 전지 내부에 데미지를 가해 열폭주를 유발시킬 수도 있다.

국내외 ESS 시스템에 대한 시험방법 및 설치기준 현황을 살펴보면, 미국은 배터리, PCS 등 ESS 구성품에 대한 인증기준과 화재시험 결과에 따른 ESS 설치 및 운영에 관한 절차가 완비되어 있지만, 국내는 ESS 시스템이나 화재 시험평가방식과 이 결과를 적용하는 ESS 설치 및 운영에 관한 기준은 미흡하여 보완이 필요하다.

따라서 이번 사업의 최종 목표는 KC 도입을 위한 이차전지 화재안전성 시험평가 기술을 개발하고 국제표준에 부합되는 인증센터를 구축하는 것으로, 2차 사고조사에서 배터리 결함의 주요 요인으로 지적된 셀 간 또는 모듈 간 전압 불균형을 주기적으로 모니터링할 수 있는 방법을 개발하여 화재를 미연에 방지할 수 있는 시험평가법을 개발하고, 각종 위해요소가 배터리에 미치는 영향을 정량화하고 이를 사전에 감지 또는 차단할 수 있는 방법도 개발한다.

또한 열폭주가 진행되었을 경우에 대비해 이차전지 화재시험 기반으로 화재피해 저감 기술을 개발하여 한국형 ESS 시스템 화재 안전기준과 설치 운영기준을 제안한다.

현재 구축되어 있는 삼척 실화재시험장보다 2배 더 큰 규모로 건립될 ESS 화재안전성 검증센터 조감도
현재 구축되어 있는 삼척 실화재시험장

3,500㎡ 규모에 30MW급 풍동설비 등 첨단인프라에 세계의 이목 집중

이차전지 화재안전성 전문 검증센터는 화재방지 기술을 개발하는 전기적 위해 모의실증 시험장과 화재피해 저감기술을 개발하는 이차전지 화재시험센터로 이원화하여 구축한다.

전기적 위해 모의시험장은 이차전지 랙에 전기적 위해가 가해졌을 때 배터리에 미치는 영향을 조사하는데, 단락으로 열전이가 발생되어 화재로 진행될 경우 집진시설과 스프링클러로 화재를 진압할 수 있다. 화재 발생 원인을 조사하는 별도의 공간도 구비하고 있으며 전체 시험과정은 상황실에서 모니터링 할 수 있다.

이차전지 화재시험센터는 ESS를 포함한 대형 화재시험이 가능하도록 약 3,500㎡ 규모로 구축될 예정으로, 시험장에는 이중기둥이 적용되고, 이동식 천장이 설치되며, 안전벽과 바닥을 만들고, 내화성 및 내습성이 확보되는 환경을 구축한다.

풍동설비는 30MW급으로 순간 최고 40MW까지 측정 가능하게 구축한다. 보통 승용차가 완전 연소될 때 6~8MW의 화력이 발생하는데, 30MW급은 트럭, 버스 등 대형차량의 전소 시험이나, 대량의 물건들이 쌓여있는 물류창고의 화재실증시험 등도 가능해진다.

그 밖에 유해가스 정화를 위해 분당 10,000m3 규모의 집진설비와 폐수처리 시설을 설치하며 스프링클러 천장 및 소화약제 시험기반을 구축한다.

세계 유수의 화재 관련 기관들과 연계하여 연구 실시

세계적으로 300kWh급의 배터리 열전이 실험을 수행한 경험은 아직 없기 때문에 정확한 화재시설 규모를 확인할 방법은 없는 상황이다. 2019년 미국 FM 글로벌의 124kWh급 시험이 현재까지 수행된 최대 규모 결과이며 외삽을 통한 예측은 ESS 랙 구성방법에 의존하기 때문에 실증 및 모델링 연구가 필요하며, 이것을 영국 Ulster대학이 수행하게 된다.

또한 화재시험 비용을 절감하기 위해 경제, 시간 단축을 통한 최적화 전략, 즉 스케일링 실험방식, 시설의 내구성 및 독성가스 확산 범위 및 밀도에 대한 실증 및 모델링 연구를 미국 Case Western Reserve 대학과 중앙대학교에서 수행하게 된다.

업계 발전과 국민의 안전을 책임질 중요한 사업

이번 사업은 이차전지 화재안전성 시험장을 구축하는 것으로 끝나는 것이 아니라 화재시험장 구축을 통해 화재발생 원인을 규명하고 ESS 화재방지를 위한 한국형 시험방법 및 운용절차서를 개발하며 설치기준, 운용절차 및 소화방재 기술 개발까지 개발하는 중요한 의미가 있다.

따라서 성공적인 사업 수행을 위해 이차전지 및 화재시험에 대한 연구경험과 전문성이 매우 중요한 평가 기준 중 하나였다. 주관기관인 KTC는 2015년부터 228억 원 규모의 대용량 ESS 인증시험기반구축 사업을 통해 이차전지와 전력변환장치 분야 성능 시험 기반구축을 완료한 경험이 있고, KCL은 화재시험 전문기관으로 ‘19년 한 해 동안 3,800건 이상의 실화재 시험을 수행해 관련 노하우가 풍부하다.

이차전지와 화재시험 분야의 전문기관이 공동으로 ESS 화재안전성 기술개발 및 기반구축사업을 수행하게 되었고, 이미 구축되어있는 양기관의 화재시험 인프라를 활용하여 세계 최고 수준의 화재시험장을 건립하여 업계 발전과 국민의 안전을 책임지게 된다.

mini interview

“ESS 인증 넘어 사회 안전의 지킴이가 될 것입니다.”

최정윤 수석연구원 KCL 건설본부 방재기술센터(KCL 총괄책임자)

ESS 화재 사고의 원인을 말할 때 어느 한 단위의 부품을 원인으로 규정지을 수 없습니다. 환경과 기후 등 영향도 다양하고 수 많은 경우의 수도 존재합니다. 하지만 수출을 위주로 하다 보니 ESS 화재 사고가 나면 관련 업계에서는 타격이 클 수밖에 없습니다. ESS 화재안전성 검증센터는 기존에 할 수 없었던 검사가 가능해 안전한 제품을 개발하는데 보탬이 될 것입니다.

저희가 설계하는 센터는 전 세계 최대 규모입니다. 미국에서도 30㎿가 가장 측정 규모가 큰데 저희는 순간 최대 화력 40㎿까지 가능합니다. 힘든 점이 있다면 벤치마킹할 수 있는 모델이 없다는 것이지만 곧 세계 최초라는 자부심으로 돌아올 것이라고 생각합니다.

이제까지 우리나라는 제품 제조나 공산품에서 세계 최고인데 안전 분야에서는 선진국을 따라가는 입장이었어요. 이번 센터 구축을 통해 세계가 우리 안전 기준을 따르지 않을까 기대합니다. 센터가 구축이 되면 1차적으로 정부 핵심 정책지원 사업의 취지대로 ESS 화재 안전성 검증 분야에서 경쟁력을 키우게 됩니다.

여기에 대규모의 시설이 만들어지게 되면 생각하지 못했던 실험들까지 가능해지기 때문에 파생되는 시험 인증 분야도 많을 것으로 보입니다. 이에 따라 센터가 사회 전체의 안전성을 높이는 안전 지킴이 역할을 할 것이라고 기대합니다.




대용량 이차전지 화재안전성 시험평가 기술개발 및
검증센터 구축사업 컨소시엄 Kick-Off 워크숍 개최

Kick-Off 워크숍에서 KCL을 비롯한 참여기관들이 ESS 화재안전성 기술개발 및 검증센터의 성공적 구축을 위한 힘찬 각오를 다짐했다.
KCL 윤갑석 원장은 인사말에서 성공적인 사업수행을 위해 컨소시엄 참여기관의 협력을 당부했다.

ESS 화재안전성 사업 구축으로 안전한 미래를 만들어가다

ESS(에너지저장장치) 사업은 친환경 인프라, 스마트 기기, 차세대 이동수단 등에 활용되는 미래 산업이다. 특히 대용량 이차전지 사업은 국내 기업들의 미래 먹거리 산업으로 생산량을 늘려가고 있어서 제품 안전성 확보가 필수적이다. 이에 KCL을 포함한 11개 기관은 컨소시엄을 구성하고 ESS의 화재안전성을 높이는 사업을 진행해 우리의 안전한 미래를 만들어가고 있다.
지난 9월 16~17일 양일간 KCL 삼척 실화재시험장에서 ‘대용량 이차전지 개발 화재안전성 시험평가 기술개발 및 검증센터 구축’ 사업의 원활한 수행을 위한 1차 Kick-Off가 열렸다. 사업 주관기관인 KTC와 참여기관 KCL, 방재시험연구원, 중앙대학교, 한국전기산업연구원, 한국전지산업협회, 한국스마트그리드 협회 담당자들이 참여하여 사업목표를 다시 한번 확인하고 각 기관이 맡은 부분에 대해 발표하고 협의했다.
이날 참석한 KTC 제대식 원장은 “어렵게 수주한 사업인 만큼 성공적으로 수행할 수 있도록 지원을 아끼지 않겠다”고 밝혔고, KCL 윤갑석 원장은 “사업이 완료되면 우리나라뿐 아니라 세계적으로 앞서가는 화재안전평가 인프라가 구축된다는 큰 의미가 있다”며 “모든 컨소시엄 참여 기관이 협력해 성공적으로 수행할 수 있기를 바란다”고 말했다.
본 사업은 연구원 4개, 협회 2개, 대학 3개, 지자체 2개 기관이 참여하는 대규모 사업으로 2020년 8월 1일에 시작해 2022년 3월 31일 완료할 예정이다. 사업 목표는 전기용품 안전인증제도(KC) 도입을 위한 이차전지 화재안전성 시험평가 기술 개발 및 국제표준에 따른 인증센터를 구축하는 것이다. 또한 ESS시스템에서 발생할 수 있는 위해 요인을 모니터링하고 화재 피해를 저감하는 한국형 화재안전 시험 평가 방법 및 운용 절차를 개발, 이차전지 화재안전성 시험 평가 인프라 및 전기적 화재안전성 전문 검증센터를 구축한다.

세계 최대 규모의 ESS 실화재시험 인프라 구축

이차전지 화재안전성 시험검증센터는 사업이 끝나는 2022년 3월까지 구축 완료될 예정이다. 세계 최대 규모인 30MW급 화재시험설비로 순간 최대열량 40MW까지 측정 가능할 것으로 예상된다. KCL이 기구축한 10MW급 시험장은 승용차 한 대의 전소 시험을 실시할 수 있는데, 새로운 시험장은 트럭이나 버스의 전소 시험이나, 승용차 3대를 나란히 두고 화재 시험을 실시할 수 있을 정도다. 이를 통해 화재안전 분야에서 세계를 선도할 역량을 갖출 수 있을 것으로 기대된다.
또한 불을 끌 때 사용하는 소화약제의 개발과 제품의 유효성을 입증할 수 있는 시험 인프라도 구축된다. 배터리에 화재가 발생하면 나오는 유독가스로 인한 대기오염 가능성 시험이나 소화약제가 물에 녹았을 때의 위험성을 측정하는 시험 센터도 구축할 계획이고, 화재사고 조사지원 기능도 함께 수행해 사회 안전에 이바지할 예정이다.

<표> 참여기관별 연구 내용

참여기관 연구 내용
KTC
  • 전기적 위해 실증을 위한 인프라 구축 및 운용절차서 개발
  • 시험인증 평가를 위한 시험 및 검증 장비 구축
KCL
  • Ul9540A기반 ESS 화재안전성 시험평가방법 기술개발
  • 열전이 화재시험챔버, 시험인증평가를 위한 시험 및 검증장비 구축
한국전지산업협회
  • ESS 이차전지 통합관리시스템 구축 및 열 폭주 시험방법 개발
방재시험연구원
  • ESS 화재 진압을 위한 소방 설비 및 소화약제 설계
한국전기산업연구원
  • 국내 ESS시스템 관련 기술 기준 조사 분석 및 구축 시설별 위험성 평가
한국스마트그리드협회
  • ESS 전기적 위해 관련 항목 도출 및 시험 방법 표준 초안 개발
중앙대학교
  • ESS 화재 시험 폭압 규모 검토, 발생 열류량 고려 바닥설계, 유해가스 확산 규모 산정
수직가열로(Fire Resistance Test Furnace)
스테이너 터널시험기(Steiner Tunnel Tester)
라지스케일 칼로리미터(Large Scale Calorimeter)