ESS 화재 자동소화시스템 성능실험 연구
글 안병호 화재보험협회 방재시험연구원, 융합방재연구센터 수석연구원
1. 머리말
에너지저장장치[ESS(Energy Storage System)]는 태양광, 풍력 및 화력 발전 등에 의하여 생산된 에너지를 물리적 매체(장치)를 통해 일정 기간 저장해두고 필요한 시기에 다시 전력 에너지를 공급함으로써 에너지 효율을 높이는 시스템이다. ESS는 에너지 효율이 높은 “리튬이온배터리”를 주로 사용하고 있으며, 최소단위인 배터리 셀(cell) 단위부터 수십 개의 셀이 직렬 및 병렬로 연결된 모듈(Module) 단위 등으로 이루어져 있으며, ESS는 한정된 공간에 많은 에너지를 저장해야 하는 특성으로 대량의 배터리들이 밀집 배치되는데 이러한 특성으로 인해 ESS에 화재가 발생할 경우 화재 시 열량이 높아 연쇄 폭발로 이어져 큰 피해가 발생한다.
2019년도 “민관합동 ESS 화재 사고 원인조사 위원회”의 발표자료에 의하면 국내의 ESS 관련 화재 사고는 2017년 8월 전북 고창 화재(풍력 발전)를 비롯하여 2019년 5월 2년 동안 화재 사고가 23건이나 발생하였으며, 사고원인으로 배터리 시스템 결함, 전기적 충격요인에 대한 보호체계 미흡, 운용환경관리 미흡과 설치 부주의 및 ESS 통합관리체계 부재 등의 4가지 요인을 화재원인으로 추정하고 있다.
이와 관련하여 ESS 화재 시 화재를 진압하기 위한 자동소화 시스템과 이 시스템의 화재진압 성능실험 내용을 소개하고자 한다.
2. ESS 화재 자동소화시스템
가. 자동소화시스템 주요구성품
나. 자동소화시스템 사양
| 구 분 | 내 용 | 비 고 |
|---|---|---|
| 제조사 | OO소방(주) | |
| 모델명 | EG M1 / EG M2 / EG M3 | |
| 소화약제 | 침윤제 | KFI 형식번호 (약 2-4) |
| 제어부 | EG 2000 단독형 / EG 8000 멀티형 | |
| 감지기 | A 연기감지기, B 온도감지기(K-Type) (option Gas Detector) |
가스 감지기 별도 |
| 기동방식 | 질소 가압 (6.0㎏) | 1.0 MPa 이내(방출압력) |
| 방사노즐 | 일반노즐120° 회전노즐360° | 현장 여건에 맞게 |
| 소화약제 저장용기 |
50 L / 150 L / 500 L | 현장 여건에 맞게 |
| 소화약제 방사 |
1차, 60초 동안 방사(50 L) 2차,3차,방사 30초(25 L씩) |
자동리셋기능(재발화 방지) / 무한 반복 가능 |
| 소화약제 배관 |
STS 304 15A / 20A PIPE | 기타 부속자재 외 |
| 통신/알람기능 | 네트워크 / 이더넷 | 원격, 감시기능 / 추가옵션 |
3. 자동소화시스템 특징
가. ESS의 화재가 발생한 랙(Rack)을 소화하는 국소방출방식의 자동소화시스템
나. ESS 화재 전용 특수소화약제(침윤제)를 사용하여 모듈 내부로의 침투력과 냉각 효과를 겸비한 소화력을 갖는다.
다. ESS 랙에 설치된 2개의 감지기(교차회로 방식) 작동 시 화재를 감지하고 소화약제를 설정된 일정시간(setting time 설정기능) 동안 방사하여 소화한다.
라. 재발화 방지를 위하여 1차 소화약제 방사 후 자동전환(Auto Reset) 기능에 따라 랙 내부의 온도를 모니터링 하면서 시스템은 작동 대기 준비 상태를 유지하고, 랙 내부의 온도상승 또는 재발화 시 소화약제를 추가 방사하여 소화하는 안전기능을 갖는다.
4. ESS 화재진압 성능실험
가. 성능실험 조건
(1) 실험용 배터리 : Li-Ion battery, 51.8 V/62 Ah, 충전상태(SOC) 100 %
(2) 판형 히터 : 220 V/700 W, [180(L) × 140(W) × 3(t)] mm, 전압조절 인가방식
(3) 가스버너 : 충염식 제트 가스버너(32구), LPG, 가스열량 30,000 Kcal/h
(4) 배관식 가스버너 : SUS 304 배관에 Hole 가공
(5) 온도 측정 : K-type 열전대, PC Recorder GL820
(6) 화재진압 성능실험은 아래와 같이 구분하여 실시한다.([그림 3] 참조)
(가) 1모듈 단위 화재진압 성능실험
1) 1개의 랙 내부에 1개의 모듈단위 배터리를 설치하여 시험을 실시한다.
2) 화재발생장치 : 가스버너 방식
가) 가스버너의 LPG 화원을 이용하여 배터리를 강제 발화시킨다.
3) ESS 자동소화장치 주요구성가) 노즐 설치 : 회전용 노즐 1개, 일반 노즐 8개(총 9개)
나) 소화약제 50 L 용기(약제 30 L 충전) / 약제방출 가압용기(질소) 10 L용
(나) 3모듈 단위 화재진압 성능실험
1) 1개의 랙 내부에 3개의 모듈단위 배터리를 설치하여 시험을 실시한다.
2) 화재발생장치 : 판형 히터와 가스버너 방식
가) 1개 모듈단위 배터리 내부의 셀과 셀 사이에 판형 히터(Plate heater)를 설치하고 전기를 인가하여 발화시킨다.
나) 가열 중 연기만 발생하고 화재가 발생하지 않을 경우 가스버너를 사용하여 모듈단위 배터리를 강제 발화시킨다.
가) 노즐 설치 : 회전용 노즐 3개, 일반 노즐 9개(총 12개)
나) 소화약제 150 L 용기(약제 100 L 충전) / 약제방출 가압용기(질소) 10 L용
5. 화재진압 성능실험 방법
가. 1모듈 단위 화재진압 성능실험
(1) 시험 전 ESS 자동소화시스템을 설치한다.
(2) 랙 내부에 충전상태(SOC)가 100 %인 배터리(모듈) 1개를 설치한다.
(3) 배터리의 하단부로부터 80 mm 아래의 위치에 가스버너를 설치한다.
(4) 가스버너를 점화시켜 배터리를 가열시킨다.
(5) 배터리에서 발화가 일어난 후, 화재가 확대되는 시점에 가스버너의 화원을 차단하고 1분 동안 자유연소 후,
수동으로 시스템을 작동시켜 소화약제를 방사한다.
(6) 배터리의 화재진압(소화) 여부를 확인하고, 10분 동안 재발화 여부를 확인한다.
나. 3모듈 단위 화재진압 성능실험
(1) 시험 전 ESS 자동소화시스템을 설치한다.
(2) 랙 내부에 충전상태(SOC)가 100 %인 배터리(모듈) 3개를 설치한다.
(3) 3개의 배터리 중에서 중간에 위치한 배터리(판형 히터 설치)와 하단부에 위치한 배터리 사이에 배관식 가스버너를 설치한다.
(4) 판형 히터에 전기를 인가하여 배터리를 가열시킨다.
(5) 배터리에서 발화가 발생하지 않을 경우 가스버너를 이용하여 배터리를 강제 발화시킨다.
(6) 배터리에서 발화가 일어난 후, 화재가 확대되는 시점에 가스버너의 화원을 차단하고 2분 동안 자유연소 후,
수동으로 시스템을 작동시켜 소화약제를 방사한다.
(7) 배터리의 화재진압(소화) 여부를 확인하고, 10분 동안 재발화 여부를 확인한다.
6. 화재진압 성능실험 결과
| 실 험 항 목 | 실 험 결 과 | ||
|---|---|---|---|
| 화재진압(소화) 여부 | 재발화 여부 | ||
| 1모듈 단위 화재진압 성능실험 | 소화되었음 | 재발화 없었음 | |
| 3모듈 단위 화재진압 성능실험 | 소화되었음 | 재발화 없었음 | |
| 화재진압 성능실험 세부내용 | |||
| 1모듈 단위 화재진압 성능실험 | 3모듈 단위 화재진압 성능실험 | ||
| 관찰내용 | 시간(분 : 초) | 관찰내용 | 시간(분 : 초) |
| 시험시작(버너 점화) | 0:00 | 시험시작(히터전기인가) | 0:00 |
| 화염발생 | 4:10 | 화염발생 | 39:41:00 |
| 시스템 작동 약제 방사 | 11:30 | 시스템 작동 약제 방사 | 45:33:00 |
| 소 화 | 11:36 | 소 화 | 45:42:00 |
| 소화약제 방사 종료 | 12:20 | 소화약제 방사 종료 | 46:44:00 |
| 시험 종료 | 22:20 | 시험 종료 | 57:00:00 |
1모듈 단위 화재진압 성능실험 사진
3모듈 단위 화재진압 성능실험 사진
7. 맺음말
ESS(에너지저장장치)는 에너지 효율을 높이기 위해 한정된 공간에 고밀도 에너지를 저장(충전)하고 필요 시 전력을 사용(방전)하는 일련의 전기설비로 화재 시 연속적인 고온의 열 폭주와 함께 연쇄 폭발로 이어지는 특성을 갖고 있으며, 그로 인하여 화재현장에 쉽게 접근할 수 없어 화재진압이 매우 어려운 실정이다.
국내에서는 ESS 설치장소에서 화재 시 화재를 완전히 진압하는 소화시스템은 현재 개발 중에 있으며, 본 원고에서는 ESS 시설 중 화재가 발생한 랙에만 침윤제 소화약제를 방사하여 화재진압은 물론 재발화에 대한 화재진압 기능을 겸비한 형식의 국소방출방식에 의한 자동소화시스템을 소개하였다.
이 자동소화시스템은 국소방출방식으로 개발되었으나, ESS가 설치되는 장소는 실내 저장시설 또는 실외 컨테이너 형태의 시설 등에 설치 운영되고 있어 이 시스템을 한층 더 개선하여 ESS의 랙에만 국한되지 않고 ESS 시설 내부의 전 지역에 적용할 수 있는 전역방출방식의 소화시스템으로 개발되어 ESS 시설의 화재진압과 화재피해를 최소화함은 물론 인명안전과 국내 소방 산업에 크게 기여하기를 기대한다.