안전한 ESS 조건과 상세 화재대응전략 담아
'韓 ESS, 충분히 안전' 평가 받도록 개선해야
정리·글, 김흥환 경기도소방재난본부 소방위

▲ESS 안전표준의 완성판이란 평가를 받고 있는 'NFPA-855 2023 개정판' 표지
▲ESS 안전표준의 완성판이란 평가를 받고 있는 'NFPA-855 2023 개정판' 표지

[이투뉴스] 2019년 발생한 미국 애리조나주 APS社 ESS(에너지저장장치) 화재·폭발 사고는 ESS 안전과 비상대응에 관한 새로운 안전지침 제정을 촉구하는 도화선이 되었다. 이후 미국 등 서구권에서는 리튬이온배터리(LIB)기반 ESS에 대해 NFPA(National Fire Protection Association, 미국국가화재방호협회) 코드(표준)와 같은 신뢰할만한 안전지침을 시급히 마련해야 한다는 여론이 비등했다. 이후 최근 2년여간 LIB와 관련 소방안전에 대한 다수 연구·투자도 이뤄졌다. 결과적으로 NFPA를 중심으로 미국 특유의 민·관을 가리지 않는 협력을 통해 최신 NFPA 855 2023년 개정판'이 공포되었다. 주요 내용을 소개하고, 시사점을 들여다봤다. 

이번 주요내용들은 NFPA 855 개정판 중에서도 '부록 G, 리튬이온배터리 에너지저장시스템(ESS)의 진압 및 안전 지침[Guide for Suppression and Safety of Lithium-Ion Battery(LIB) Energy Storage Systems(ESS)]'으로 주로 LIB기반 ESS 설계, 위험 평가, 설치, 운영, 적절한 기술적용, 점검 및 초동 대응요원의 안전 절차 등에 대한 것이다. 먼저 LIB기반 ESS 설치는 반드시 다음의 세부 내용을 포함하도록 했다.

(1) ESS를 설치할 실(Room) 또는 구역(Area)의 위치 및 배치도
(2) ESS와 관련해 제공되거나 또는 의존하고 있는 내화 성능평가 집합체(Fire-Resistant-Rated Assemblies)의 세부사항(3) ESS 유닛(Unit)의 수량과 종류
(4) ESS 제조업체의 사양, 평가 및 목록
(5) 에너지관리시스템(Energy Storage Management System)과 그 운영 설명
(6) 필요한 게시판(Placard)의 위치와 내용
(7) 화재 진압·예방, 연기 또는 화재 감지, 가스(기체) 감지(Gas detection), 열 관리, 환기, 배기 및 방폭배연설비에 대한 세부 사항(제공된 경우)
(8) 필요한 내진 지원(Seismic Support)을 포함하여 설치와 관련된 지원 준비

이러한 설치에 있어서 필수적인 요구사항들은 ESS의 안전의 핵심사항을 잘 말해주고 있다. 무엇보다 우리나라가 취약한 부분인 ‘방폭(폭발에 대한 방호)’을 꼽을 수 있다. 2019년 APS의 화재·폭발사고에서 도출된 소방관들의 심각한 위협에 대한 대비책을 세우는 것이 무엇보다 우선 시 되고 있다. 이러한 분석은 국내 여건 중 가장 시급한 문제가 방폭배연설비, ‘NFPA 68 및 69의 적용’ 및 ‘화재·폭발 시험 데이터’와 같은 ESS 설치장소마다 확연히 다른 폭발에 대한 위험성 평가 및 대비에 있다는 점을 분명히 한다.

다음으로 ESS에서 발생할 수 있는 주요 위험에 대한 내용으로, 새로이 아래와 같은 사항들을 제시하였다. 가장 우선적으로 ESS 제조업체는 ESS를 납품할 때 안전보건자료(SDS, 국내는 옛 명칭인 물질보건안전자료(MSDS)로 사용중) 또는 특정 LIB 및 열폭주 관련 제품과 관련된 위험을 설명하는 동등한 공개 정보를 제공해야 한다고 명시했다. 우리나라도 ESS 설치 시 반드시 SDS를 게시하고 쉽게 설치자나 운영자, 소방관들이 볼 수 있도록 비치를 의무화 해야 할 것으로 판단된다.

또다른 주요내용은 오프가스(Off-Gas)이다. 모든 LIB는 과열 시 배터리 셀 폭발을 방지하기 위해 내부 압력을 해제하는 수단이 있다며, 이러한 수소를 포함한 오프가스의 존재로 인해 인화·가연·폭발성 농도가 충분한 경우 폭발할 수 있고 열폭주로 다수의 모듈 또는 랙 단위로의 확산으로 광범위한 화재 손상이 발생할 수 있음을 분명히 했다. 따라서 이러한 오프가스를 조기에 탐지해 열폭주가 확산되기 전 이를 감지하는 것이 이번 개정판의 가장 중요한 핵심내용에 해당한다. 

ESS의 화재·폭발에 대한 다음 대비책으로 화재예방설비 및 화재진압전략에 대한 내용은 아래와 같다. 

- 진압 설비는 화재를 진압할 수 있지만, 일단 셀에서 시작된 열폭주나 손상된 셀의 오프가스화(Off-Gassing)를 멈추지 못하며, 이는 잠재적으로 폭발적인 환경을 만든다. 
- 기체(가스)가 축적되면 더 위험한 상태가 발생할 수 있다.
- 환기가 진압보다 더 중요한 경우가 있을 수 있다.
- 수계 및 비수계 소화약제 둘 다 일단 열폭주가 시작되면 하나의 셀에서 또는 다른 셀로의 전파는 중지시키거나 또는 전파를 방지하는데 필요한 냉각을 제공하지 않을 수 있다.
- (일단) 화재가 진압되었더라도, 이후 우발적인 재점화 시에도 화재 감지 시스템에 의해 모니터링될 수 있어야 한다.
- 천장부 스프링클러는 화재가 본래의 ESS 랙을 넘어 확산되는 것을 방지하거나 지연시킬 수 있지만, ESS 시스템의 설계로 인한 장애물(예, 배터리 모듈을 포함하는 고체 금속 캐비닛)은 본래의 랙 내에서 화재를 억제하거나 진화하는 능력을 제한한다.
- 주변 ESS 랙을 포함한 추가 화재 확산 가능성을 제한하기 위해 ESS에서 주변 가연물로 최소 공간 분리가 필요하다.
- 화재 발생 후 Li-ion 배터리가 포함된 잠재적으로 손상된 모든 ESS 장비가 해당 지역에서 완전히 제거될 때까지 화재 감시 장치가 있어야 한다.

여기에서는 무엇보다 진압 및 대응의 우선순위가 중요하다. 또 화재의 진압 여부를 떠나 오프가스의 발생에 따른 연기, 증기, 흄 등의 폭발성 기체에 의한 폭발을 막아야 한다. 아울러 일단 화재가 진압되었더라도 전기에너지의 방전을 위해 최소 12시간 이상은 이동 등의 조치 없이 대기해야 한다. 진압·대응의 종료는 화재의 진화가 아닌 완전히 해당 지역에서 LIB가 제거된 것을 기준으로 해야 한다. 따라서 완전히 LIB를 해당지역에서 제거하기 전까지는 재발화를 전제로 지속적인 화재 및 기체 탐지 등의 감시수단이 반드시 지속되어야 한다.

청정 및 할로겐 소화약제는 화재를 진압할 수 있지만, 배터리가 이미 손상된 경우 열폭주(Thermal Runaway)나 오프가스 발생을 멈추지 못해 폭발 가능성이 있는 환경을 조성하며, 이 때문에 천연가스 화재와 마찬가지로 폭발성 기체(가스)가 축적되면 더 위험한 상황이 발생할 수 있다고 한점은 유념할 대목이다. 이러한 소화약제의 특성은 2019년 APS의 ESS 화재·폭발 사고 사례에서도 한계를 잘 보여주고 있다. 당시 청정소화약제가 1차 화재 진압방법으로 사용되지만, 화재 및 폭발 테스트에 통과된 수계 스프링클러에 의해 백업되지 않는 경우에는 추가적으로 화재 및 폭발 시험이 수행되어야 하도록 추가적인 규제를 가하고 있다.

다음은 LIB의 열폭주를 조기에 감지하기 위한 여러종류의 감지기·탐지설비(Detection System)에 대한 내용이다. 먼저 LIB 셀이 열폭주 상태에 있을 때, 단일 셀로부터 기체 발생은 CO, CO₂ 및 인화·폭발성 탄화수소(HCs)에 더해 20~50% 농도의 수소를 포함한 수백리터 수준이 발생할 수 있다고 전제했다.  

LIB가 기존의 화재와 구별되는 가장 큰 특징은 열폭주 이전의 오프가스가 기존의 연기감지기 및 열 감지기로 검출하기는 너무 늦거나 탐지가 불가능하다는 점이다. 이로 인해 조기감지를 위해 새롭게 기체 탐지설비의 추가가 필수적인 것으로 서구권에서는 이미 인식되어 왔다. 다만 이를 위해서는 모듈 내부 또는 가까운 거리에서 셀 수준 감지를 필요로 한다고 명시했다. 일반적으로 이러한 기체 탐지장치는 랙(모듈) 수준에 설치되어 개별 셀을 감시하게 되고, 이를 통해 열 폭주전 충전을 자동으로 비활성화하여 ‘최대 30분의 (사고)조사 및 개입(대응) 시간을 제공할 수 있다'고 밝혔다.

▲열폭주 이후 대형화재에 휩싸인 국내 풍력연계 한 ESS ⓒE2 DB
▲열폭주 이후 대형화재에 휩싸인 국내 풍력연계 한 ESS ⓒE2 DB

조기에 열폭주를 감지하기 위한 수단으로 신기술이 적용된 연기감지기인 '흡입식 연기감지기(ASD; Aspirating Smoke Detection)'를 제시하였으며 그 장점은 다음과 같다. 

(1) 초기 단계에서 LIB 화재를 감지하여 연기와 부식성 기체(가스)들이 장비와 인력에 영향을 미치기 전에 탐색 및 조치(대응)하기 위한 조기 개입을 허용함
(2) 초기 단계부터 완전히 진행된 (최종) 단계까지 모든 화재 단계를 모니터링 가능함
(3) 매우 민감한 감지실(sensing chamber)로 낮은농도 및 누적 샘플링을 통한 희석된 높은 농도 모두 안정적으로 감지가능하도록 설계 가능함
(4) 온도와 습도가 극단적인 경우에도 수용 가능
(5) 쉽게 접근할 수 있는 영역에 장착할 수 있다

또한 추가로 새로운 감지수단을 제안했는데, 고정식 열화상 카메라를 통한 LIB 감시가 그것이다. 열화상을 통해 LIB 장애의 조기 감지에 적용될 수 있어, 적절한 배치를 통해 감지기는 배터리 고장과 관련된 온도의 작은 변화를 감지하고 조기에 감지할 수 있다고 밝혔다. 특히 시각적 이미지의 추가적인 이점을 제공할 수 있어 현장대응에 임하는 소방관들에게 화재 규모와 위치에 대한 상황 인식을 제공하고 잠재적 위험으로부터 직접 화재로 인도해 위험에 노출되는 시간을 최소화한다며 큰 이점을 강조하고 있다.

이 외에는 ESS를 설치하는 건축물에 대한 안전기준으로 500제곱피트(46.5㎡)보다 큰 조립식 컨테이너 또는 외함은 건물로 인식해 최소한의 전용건물 면적기준을 제시했고, 전용 건물은 불연성 재료로 구성되어야 하며 최소 공간은 분리해 인접 건물 또는 장비로 화재가 확산될 가능성을 최소화해야 한다고 명시했다. 또 ESS 고장으로 인한 오프가스 생성물과 관련된 폭발 시 건물의 붕괴를 방지하기 위해 방진구조물(DLC; Damage-Limiting Construction)로 지어져야 한다는 점도 명백히 했다.

이밖에도 LIB ESS의 점검(검사) 및 유지보수에 관한 최소 안전기준으로 점검 및 유지보수에 있어 반드시 사전 승인된 개인보호장비(PPE)를 착용하도록 의무화하고, 점검 시 반드시 사전에 충전상태(SOC)가 30%로 감소했는지 확인토록 했다. 이는 완전 충전 및 방전상태가 가장 위험하고 약 30% 수준이 가장 안전한 상태임을 시사한다. ESS시설은 점검·테스트중 위험한 상황에 빠질 가능성이 크다는 점도 상기시켰다. 또 ESS를 운용하는 직원들의 교육훈련에 있어 각 작업장의 위험요소, 관련 화재예방 및 방폭 설비의 적절한 기능유지에 대한 필요성, 방폭 설비 가동 절차, 비상대응 및 대피계획 등을 반드시 주기적으로 교육하도록 주지했다.

국내에서도 BESS 안전관리자 및 ESS 운용자에 대한 전문적인 교육훈련을 늘리고 사전에 관련된 전문가를 육성하기 위한 투자가 선행되어야 할 것으로 보인다. 이번 NFPA 855 2023년 개정판의 시사점 중 하나는 ESS 안전을 온전히 이루기 위해 전기·방폭·소방관·화재예방시설·소프트웨어·탐지장비 등 다양한 분야의 수많은 전문가들의 협업이 필요하다는 것이다. 민·관과 국내·외를 가리지 않는 협력을 통해 앞으로 수많은 난관들을 헤쳐나가야 한다. 우리나라 ESS 안전기준이 NFPA의 최소요구기준을 넘어서 언젠가 '한국 ESS와 LIB는 이 정도면 충분히 안전하다'는 평가를 받는 날이 오기를 기대한다.

김흥환 경기도소방재난본부 소방위(특수재난전문가) squallkim@korea.kr

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