1. 들어가는 말

빈 최근 갈수록 증가하고 있는 기후변화로 인한 재난은 이제 우리 생활에서 그 심각성이 피부로 느껴질 정도가 되었다. 기상청의 설문조사에 따르면, 국민의 89.9%가 “현재 대한민국은 기후 위기에 직면해 있다”고 대답하고 있으며, 45.5%는 “매우 그렇다”라고 답하여 그 심각성을 체감하고 있는 것으로 나타났다.1) 이러한 기후위기를 해결하고 지속가능한 미래를 만들기 위하여 탄소중립(Net Zero) 실현을 목표로 화석연료의 대체 에너지원과 활용을 위해 전 세계가 노력하고 있다. 이러한 노력의 일환으로 교통수단에 대한 화석연료 사용의 축소를 위해 내연기관(Internal combustion engine) 사용 차량을 무공해차량(Zero-emission vehicle)으로 전환이 지속적으로 시도되고 있다. 이러한 차량은 전기차(Battery electric vehicle), 수소자동차(Hydrogen vehicle)등이 있다. 또한 전기자동차나 수소자동차의 보급 및 사용 환경의 불편함을 해결할 수 있는, 하이브리드자동차(Hybrid vehicle)도 있다.

빈 2023년 세계 전기차 판매량은 약 1,400만 대로서 전년 대비 35% 증가하였으며, 운행 중인 전기차는 2018년 대비 6배 이상 늘어난 4,000만 대에 이르는 것으로 파악되고 있다. 앞으로 2030년 4천 5백만 대, 2035년 6천 5백만 대에 도달할 것으로 예상되며, EV 판매 비중은 2023년 약 15%에서 2030년 40%, 2035년 50% 이상으로 전기차의 판매량은 증가될 것으로 전망된다. 2) 국내에서는 2023년 12월 31일 누적 기준 전기자동차는 56.6만대, 수소차는 3.4만대가 보급되고 있는 상황이다. 3)

빈 이러한 배경 속에서 전기차의 사용 후 배터리의 처리는 큰 문제로 인식되고 있다. 2040년 발생하는 수명이 다한 전기차(PHEV/BEV)의 수는 약 4,227만대로 전망되고 있다. 수명이 다한 전기차 배터리가 2030년 이후 폭발적으로 쏟아져 나올 것으로 예상되며, 이에 EU의 폐배터리 관련 친환경정책 등이 추진되고 있는 상황이다. 4) 이는 전기차에 들어가는 배터리 수명이 통상적으로 짧게는 5년 길게는 10년으로 보고 있기 때문이다. 국내의 경우 지난 2015~2017년에 판매 된 1세대 전기차의 배터리 교체 시기가 2025년 전후로 점차 다가오고 있다는 점도 주목해야 할 사항이다. 전기차의 국내외 도입 환경과 판매량 변화, 부품 수명 주기 등을 고려해 볼 때 재사용 배터리는 급격히 증가될 것이 분명하다.

빈 이러한 재사용 배터리를 각 차량에서 분리하여 집하 후 다시 장착하기까지의 전 과정에서 운송은 필수적으로 거치게 되는 단계이다. 전기차 배터리의 주류를 이루고 있는 리튬계열 배터리의 화재 발생은 에너지저장장치(ESS) 보급과정에서 발생되었던 일련의 화재들로부터 현재 전기차 배터리의 화재까지 계속되고 있다. ESS의 도입과정에서 화재로 인해 겪어야 했던 문제들을 경험 삼아, 아직 본격화되지 않았지만 곧 증가하게 될 재사용 배터리에 대해 선제적으로 화재의 위험을 연구하고, 이를 기반으로 대책을 수립하여, 정부, 업계, 국민 모두가 안심할 수 있는 사용 환경을 만들어야 한다.

빈 이러한 대책 중 운송 과정에서 발생할 수 있는 화재에 대한 비상대응계획의 수립 및 시행은 매우 중요한 부분이라 할 수 있다. 하지만 재사용 배터리의 화재특성은 명확하게 연구되지 않은 상황이며, 현재 국가 R&D로 추진 중에 있다. 그러므로 현재 재사용 배터리의 화재에 대응하기 위한 명확한 비상대응계획의 수립은 매우 어려운 상황이다. 하지만, 본 고에서는 재사용 배터리의 운송 시 화재발생에 대한 비상대응계획을 수립하기 위해 살펴봐야 할 위험의 형태, 환경 등 조건, 대응 주체와 체계 등에 대한 내용을 제시하여, 차후 본격적인 비상대응계획수립을 위한 기반을 공유하고자 한다.

2. 전기차배터리 사용 후 처리

빈 전기차에 들어가는 배터리 수명이 통상적으로 짧게는 5년 길게는 10년으로 보고 있다. 이는 교통사고 및 고장, 불규칙한 교체 주기 등을 감안하면 더 빠르게 많은 양의 배터리가 교체주기에 이를 수 있다.

빈 [그림 1]에서 보는 바와 같이 배터리의 충전 능력 지표 중 SoH와 SoC가 있으며, 순간적으로 고출력을 내야 하는 자동차의 특성상 배터리 충전능력인 SoH가 80%이하로 떨어지면 운행 상 위험을 초래할 가능성이 높아지며, 주행 거리 감소, 충전 속도 저하, 급속 방전 등의 문제가 발생할 우려가 있어 교체를 하게 된다.

빈 [그림 2]에서 보면, 차량의 소유주에 의해 배출되는 배터리는 검사기관을 거쳐 검사 및 평가를 받는 데 잔존수명 을 판단하는 SoH를 기준으로 80%이상은 재사용, 65-80%는 재제조, 65%미만은 재활용 배터리로 분류하며, 각각 에 따라 해당 업체로 보내지고 최종적인 처리단계에 진입된다. 운행하던 차량에서 분리된 배터리는 사용 후 배터리 라고 하며, 이는 크게 재제조, 재사용, 그리고 재활용으로 구분된다. 재제조는 배터리 성능을 복원하여, 다시 차량에 부착하는 것이며, 재사용은 배터리 성능이 전기차에 사용하기에는 부족하지만, 전기 저장장치로서의 역할은 가능 한 것을 다른 용도로 사용하는 것을 말한다. 성능이 너무 낮은 것은 재활용으로 구분하고 배터리 분해 후 주요 성분 추출을 통해 다른 제품의 생산에 활용한다.

[그림 1] 배터리 진단용어 개념

[그림 2] 전기차 배터리 사용 후 처리 단계5)

빈 전기차에 장착되는 배터리는 차량으로부터 분류된 이후 이동과 보관의 단계가 반복되면서 처리단계에 도착하게 된다. 법적 적용의 경우 운송은 환경부 고시인 「전기자동차 배터리 반납 등에 관한 고시」의 제9조 전기자동차 배터 리 운반방법, 그리고 보관은 「전기자동차 폐배터리의 분리·보관방법에 관한 세부규정」제4조 전기자동차 폐배터리의 보관방법에 대한 내용이 제시되고 있다. 이중 운송과 관련된 「전기자동차 배터리 반납 등에 관한 고시」의 제9조 전 기자동차 배터리 운반방법의 주요 내용은 다음과 같다.

• ① 배터리 운반 시 적정한 포장방식 채택
• ② 방화, 방수, 방폭, 절연, 단열, 부식 방지 등 안전방호대책 수립
• ③ 타 위험물과 혼재 금지
• ④ 물리적 충격 완화 완충제 사용

빈 이동과 보관 단계에서 배터리는 여러 개가 모여서 운송되고, 많은 양이 보관되므로 이러한 상황에서의 화재는 기존의 화재특성과 다를 것으로 보이며, 이에 대한 과학적 연구를 기반으로 대응방안을 모색해야 할 것이다.

3. 운송 시 화재 위험성

빈 운송에서의 재사용 배터리의 화재위험성은 아직 연구된 바가 찾기 어렵지만, 기존의 리튬이온배터리 화재특성, 전기자동차의 화재특성, ESS의 화재 특성, 운송 환경을 고려해 보면 추측이 가능하다.

(1) 리튬이온 배터리의 화재 발생 원인

빈 재사용의 대상이 되는 배터리는 전기자동차에 장착되는 것으로서 리튬이온배터리를 사용한다. 리튬이온배터리의 화재위험성에 대해서는 ESS 화재가 빈발하면서 활발하게 연구되고 정립되었다. 리튬이온전지는 보통 '열 폭주(thermal runaway)'라는 현상을 통해 화재가 발생한다. 열폭주의 발생은 크게 4가지 원인으로 나누어 볼 수 있으며, 이는 열적위험, 과충전, 과방전, 그리고 외부충격 등이다. 6) 열폭주 발생으로 인해 온도가 상승하게 될 때, 이를 적절하게 냉각하지 않으면 온도가 지속적으로 상승하면서 열에너지 발생 속도가 증가하고 열폭주상태에 도달하게 된다. 열폭주가 발생하면 분리막이 녹아 내부단락이 발생하면서 화재가 발생한다.

(2) 에너지저장장치 화재와 전기차 화재의 교훈

빈 리튬이온배터리로 구성되는 재사용 배터리의 평균 무게는 약 450kg 수준인 것으로 알려져 있다. 7) 이러한 배터리는 트럭으로 이동할 경우 수직으로 적층 하여 적재하는 것이 불가피하다. 적층 형태의 리튬이온배터리 화재 특성은 지금도 현재 진행 중인 ESS 화재와 전기차 화재에서 얻어진 몇 가지 교훈에서 추측해 볼 수 있다. ESS 화재에서의 특징은 수직으로 적재된 배터리에서 화재가 발생하기 전후 인접 셀과 모듈의 온도를 상승시키고 연속적인 열폭주(Cascading thermal runaway) 및 발화가 유도된다는 점이다. 재사용 배터리의 운송 시 SoC, 포장의 상태, 거치의 상태 등에 따라 다를 수 있지만, 운송 시 적층 상태에서 화재가 발생하면 유사한 현상이 발생 될 것으로 예측된다. 그렇지 않더라도 일반적으로 패키지화된 가연물의 화재에서의 열전달로 인한 화재확산을 진행될 것이다. 일단 발생한 화재의 조속한 종료를 위해서는 다른 배터리로의 화재 확산을 저지해야 한다. 초기 대응에 실패한 경우 화재를 조속히 마무리하는 방법은 화재가 발생한 배터리 랙과 인접 랙을 외부로 반출하여 진압하는 것이다. 이를 위해서는 외부로 쉽게 이동할 수 있는 구조이거나, 벽면을 쉽게 해체할 수 있어야 한다. 또한 개당 무게가 약 0.5t인 배터리의 반출은 쉽지 않으므로, 이를 위한 방법도 생각해보아야 할 것이다. 외부로 반출된다면 다른 배터리와 격리하여 장시간 다량의 주수 또는 침수로 배터리의 온도를 낮추어야 할 것이다.

[그림 3] 2021년 충남 홍성군 태양광 연계 ESS시설 화재 모습(사진:홍성소방서)

빈리튬이온배터리를 사용하는 전기자동차 화재에 있어 화재진압의 핵심 또한 배터리의 온도를 낮추는 것이다. 이는 다수의 전기차 화재에 대한 현장 대응에서 이미 증명된 사항이다. 소방대의 대응을 보면 전기차에서 화재가 발생하면, 먼저 배터리 이외 부분의 착화 부분의 화염을 제거하고, 인접 차량으로의 화재 확산을 저지한 후 배터리 부분에 살수하여 온도를 낮추어 1차 진압을 완료한다. 그 후 차량을 외부로 반출시켜 수조에 담근 후 안정화 조치를 취하여 재발화 위험이 없는 상태를 만들어 종료하게 된다.

[그림 4] 이동식 소화수조를 사용한 화재진압 훈련 장면(사진:제주소방안전본부)

빈 ESS와 전기차 화재는 재사용 배터리의 운송 중 발생 화재와 완전히 동일하지는 않으며, 여러 차이점이 있을 수 방재와 보험 Vol.194 09있다. 하지만, 재사용 배터리의 화재 시 상황을 예측하는 데 중요한 사실들을 제공한다. 화재가 발생하면 다른 배터리로부터 신속한 분리가 필요하며, 동시에 화염의 제거 및 냉각을 위한 주수가 진행되어야 한다. 분리된 배터리의 화염이 제거된 이후 어느 정도 냉각이 되면 물에 넣어 안정화를 수행하여 재발화를 방지해야 할 것이다. 이러한 사항은 아직 재사용 배터리의 화재현상과 초기 대응에 대한 연구가 완료되지 않은 상황에서 섣부른 것 일수도 있다. 하지만 연구가 완료되기 전까지의 임시적인 대응 방안 수립에는 참고할 만한 사항으로 판단된다.

(3) 운송 차량 화재 및 기타 영향

빈 재사용 배터리 운송단계에서는 운송 차량에 적재한 배터리만 발화위험이 있는 것이 아니다. 즉, 차량의 화재도 중요한 문제이다. 차량 화재는 내연기관 차량인 경우 보통 다음과 같은 원인이 있다. 8)

• ① 전기장치에 의한 화재
• ② 엔진 과열로 인한 화재
• ③ 이상연소로 인한 화재
• ④ 배기열 및 마찰열에 의한 화재
• ⑤ 차량 내부 적재 물 발화로 인한 화재

빈 운송차량에서 발생한 화재로 인한 열은 적재된 배터리를 가열하여 연소시킬 수 있다. 또한 다른 화재로 인한 열전달이 발화요인이 될 수 도 있다. 혼합 적재 시 타 물품의 발화로 인한 영향도 고려해야 한다.

[그림 5] 폐배터리 화물차 화재 9)

[그림 6] 폐배터리 화재 방송보도 (출처 : MBC)

4. 운송 사고 및 장소 유형

(1) 운송 환경에 따른 위험요소

빈 운송에서의 환경적 특징은, 정상운행과 비정상상황의 두 가지로 구분할 수 있다. 여기서 정상운행상황에서 운송 배터리에 영향을 주는 요인은 운송 도중 차량의 진동, 정차 발차 시 충격, 이동 중 과속방지턱 등 요인으로 인한 충격, 그리고 이동 시 작용하는 힘이 있다. 이들은 기본적인 관성, 가속도, 작용, 반작용, 운동량보존 등의 물리적 법칙에 따라 작용하게 된다. 재사용 배터리의 운송에 대해 「전기자동차 배터리 반납 등에 관한 고시」의 제9조 전기자동차 배터리 운반방법에서 제시되는 내용을 적용한다면, 이에 대한 영향은 어느 정도 감소될 것으로 판단된다. 하지만, 과학적 연구를 통한 검토는 필요하다.

빈 비정상상황에서는 정상적인 운행과정의 일상적인 환경을 벗어난 상황을 말하는 것이다. 이는 도로교통공단 사고유형별 사고 통계의 사고 항목을 참고해 볼 수 있다.

• ① 충돌, 추돌 (차대차)
• ② 공작물 충돌
• ③ 주/정차 차량 충돌
• ④ 전도 (넘어짐)
• ⑤ 전복 (뒤집혀 넘어짐)
• ⑥ 도로이탈 추락
• ⑦ 철길 건널목사고

빈 상기 사고의 결과는 배터리의 물리적 충격이나 파손으로 이어지며, 그 결과로 화재가 발생할 우려가 있다. 또한 사고의 과정에서 운송차량 인접 차량이나 물품의 화재발생으로 인한 가열로 배터리 화재가 발생할 가능성도 있다. 이러한 사고의 발생은 장소에 대한 영향도 고려해야 한다. 장소는 소방청 화재통계에서는 다음과 같이 구분하고 있다.

• ① 고속도로
• ② 일반도로
• ③ 주차장
• ④ 공지
• ⑤ 터널
• ⑥ 기타도로

빈 이러한 구분은 사고 특성을 고려하여 몇 가지를 추가할 필요가 있으며, 이는 다음과 같다. 단, 7의 경우는 논의가 필요한 사항이다.

• ① 교량
• ② 철길 건널목
• ③ 주차장(옥내)
• ④ 주차장(옥외)
• ⑤ 주유소
• ⑥ 기타 위험물 인접 시설
• ⑦ 재사용 배터리 운송 차량 선적 선박

5. 운송사고 발생 시 현장 대응 주체

빈 재사용 배터리의 운송 시 사고가 발생한 경우 가장 신속하게 대응할 수 있는 사람은 운전자이다. 운전자는 화물의 상차, 운송, 하차까지의 단계를 모두 관여하고 운송을 책임진다. 앞에서 논의한 장소에서 사고가 발생하였을 때 가장 먼저 대응하게 되는 사람이기도 하다. 운전자는 자신이 운송하는 화물의 위험특성과 주의할 점에 대해 충분히 인지하여야 하며, 이를 기반으로 안전하게 운송을 수행해야 한다. 현재 소방청에서 운영하는 위험물 운반자 제도가 있으며, 이러한 제도와 유사한 체계를 구축하여 대응능력을 충분하게 갖춘 운전자로 하여금 운송을 수행하도록 하는 것을 고려해 볼 수 있다. 하지만 운송 도중 만날 수 있는 다양한 사고는 운전자 본인의 과실이 아닐 경우도 있다. 또한 운전자가 대응을 하지 못할 상황에 있게 될 수도 있다. 그러므로 실제 대응의 가장 핵심적인 주체는 사고발생현장에 출동하는 소방대일 것이다. 이러한 소방대의 효과적인 대응은 사고 수습에 소요되는 시간을 12 Special Theme단축하고, 사고로 인한 주변으로의 2차, 3차 피해를 축소시킬 수 있다. 또한 해당 사고 발생 장소의 운영 주체의 대비도 중요하다. 사고 발생 시 도로 및 장소에 대한 신속한 통제 및 지원은 사고 발생으로부터 소방대가 도착할 때까지 초기 기간 동안 컨트롤 타워 역할을 수행하면서 피해를 감소하는데 결정적 기여를 할 수 있다. 또한 사고 발생 이전, 사고에 대한 대책을 수립하고 이를 실천함을 통해 근원적 피해예방을 수행할 수 있다.

빈 위에서 논의한 사항을 잘 보여주는 사례로 2022년도 경기도 과천에서 발생한 방음터널 화재를 생각해 볼 수 있다. 이는 폐기물 트럭에서 발생한 화재가 방음터널의 화재 취약성이 결합하여 큰 피해와 충격을 남긴 사고이다. 사고 차량 운전자, 운송업체 대표, 도로 관제실 책임자 및 근무자 등을 대상으로 사고의 책임 여부를 묻는 법적 절차가 진행 중이다. 하지만, 사고의 위험을 운전자와 관리자, 해당 시설의 건설 책임자, 그리고 관련 법령의 수립 및 시행 주체까지 모두 인지하고 대비했다면, 안타까운 희생을 방지할 수 있었을 것이다. 만약 이 사고에서 차량 운전자가 차량화재에 대한 심각성을 인식하고 차량 정비 등을 면밀히 확인했거나, 해당 시설의 운영 주체 측에서 사전에 위험을 찾아내고 이에 대한 대책을 수립해서 시행했었다면 피해는 크게 감소하였을 것이다. 그러므로 재사용 배터리의 운송 시 비상대응계획의 수립에 있어 운전자와 운영주체, 소방대를 구분하여 수립하고, 이에 대한 지식 콘텐츠를 제공하여 효과적인 대응이 될 수 있도록 해야 할 것이다.

[그림 7] 재사용 배터리 운송사고 대응 체계 개념

6. 재사용 배터리 운송단계 화재에 대한 비상대응 계획의 수립

빈 재사용 배터리의 운송 단계에서 비상대응 계획의 수립은 이에 대한 명확한 화재 현상과 위험성, 그리고 초기 자체 대응을 위한 시스템과 전략에 대한 수립이 완료된 후에 진행될 수 있다. 현재로서는 앞에서 기술한 리튬이온배터리가 가지는 원천적 화재위험, 그리고 전기차와 ESS화재에서 알게 된 리튬이온배터리의 화재위험 및 진압 특성의 정보를 가지고 있다. 배터리 화재가 발생할 사고 유형과 발생 장소의 특성 등 또한 정립되었다고 판단된다. 그러므로 연구를 통해 더 많은 필요 정보를 확보하고 대응 시스템의 개발과 구축이 진행된다면, 이를 기반으로 재사용 배터리 운송차량의 운전자와 소방대가 필요한 비상대응 계획의 수립이 가능할 것이다.

빈 대부분의 사고에 대한 비상대응계획의 수립은 비상상황 발생의 책임이 있게 되는 기업 또는 기관의 장에게 그 수립의 책임이 부과되며, 이에 따라 수립되고 운용된다. 재사용 배터리의 운송단계에서 발생할 수 있는 사고에 대한 비상대응 계획의 수립주체는 재사용 배터리의 운송을 담당하게 되는 운송회사와 그 회사의 대표가 될 수 있다. 하지만, 운송 도중에 거치게 될 수 있는 각 장소에서 발생할 수 있는 사고의 결과는 공공에 미치는 영향이 크고 심각할 우려가 있으므로, 이에 대한 정부의 규제와 대응이 필요하며, 이러한 차원에서 비상대응계획도 민간과 공공이 유기적으로 대응하는 체계를 구축해야 할 것이다.

빈 재사용 배터리 운송단계에 대한 비상대응계획의 수립에 있어 한국산업안전보건공단(KOSHA)와 미국방화협회(NFPA)의 다음의 자료들을 활용할 수 있다.

• ① 비상조치계획 수립에 관한 기술지침
• ② 위험물질의 운송사고시 비상대응에 관한 기술지침
• ③ 사고시나리오에 따른 비상대응계획 작성에 관한 기술지침
• ④ NFPA 1660. Standard for Emergency, Continuity, and Crisis Management: Preparedness, Response, and Recovery

빈 그리고 소방대의 대응은 현재 수립된 유사 사고의 재난현장 표준작전절차(SOP)를 참고하고, 위험물 운송자의 대응 절차 등도 참고하여 수립되어야 할 것이다. 특히 운전자, 관리주체, 그리고 소방대 간의 상호 연계성 확보를 위한 체계 구축 안도 작성되어 제시되어야 할 것이다.

7. 맺음말

빈 비상대응계획의 수립에 있어서, 대상 위험에 대한 평가는 핵심적인 부분이다. 하지만, 재사용 배터리의 운송 단계에서 발생할 화재 위험에 대해 과학적 연구결과를 얻기 위한 과제가 진행 중에 있다. 이 연구의 결과가 가시적인 성과를 만들고 데이터를 제공하게 되면, 이를 기반으로 한 위험성 평가와 대책이 수립될 수 있으며, 그 이후 적용 가능한 비상대응계획의 수립이 가능하다. 본 고에서는 재사용 배터리의 운송 단계 시 화재에 대한 비상대응계획 수립의 수행에 있어 고려되어야 할 사항들을 리뷰하고 수립의 방향을 제시하였다. 차후 연구가 진행되어 결과가 도출된다면 이를 기반으로 실제 현장 적용이 가능하고 효용성 있는 비상대응계획과 그에 대한 지침의 제공이 이루어질 것으로 기대해 본다.