1. 서 론

리튬이온배터리의 개발 및 보급이 활성화 됨에 따라 다양한 분야에서 리튬이온배터리가 활용되고 있다. 특히, 신재생에너지(태양광발전, 풍력 발전 등)에서의 전력 수급의 안전성을 확보하고 계통 운영상의 주파수 조정을 위한 FR(Frequency Regulation) 사업용으로 에너지저장장치의 활용이 증가하고 있다. 국내 신재생에너지 보급 확산 및 계통의 안전성 확보를 위하여 에너지저장장치의 지원 사업이 진행되어 2015년도부터 기하급수적으로 에너지저장장치의 보급이 증가하였다. 2021년 기준 에너지저장장치는 약 9,852MWh가 설치되어 운영 중에 있다^[1]. 에너지저장장치의 급속한 보급 확산과 동시에 이에 따른 화재사고 발생이 증가하면서 경제적, 사회적 피해가 증가하고 있다. 2022년 10월 기준 국내 에너지저장장치의 화재는 총 38건이 발생하였다^[2]. 이 중 신재생에너지 연계용은 29건, 피크저감용은 7건, 주파수 조정용은 2건으로 대부분 화재 사고가 신재생에너지 연계용에 집중되어 있다. 신재생에너지 연계용 에너지저장장치에서의 화재가 집중되어 있기 때문에 현장 설치 환경과 운영에 대한 분석을 통해 화재 원인을 찾을 필요가 있다. 본 논문에서는 태양광발전 연계 에너지저장장치의 내부 환경 특성을 분석하고 안전성 확보 방안을 제안하고자 한다.

2. 국내 에너지저장장치 화재 현황

지속적으로 에너지저장장치의 화재가 발생으로 인하여 정부에서는 에너지저장장치 화재 조사 위원회를 구성하고 화재 사고의 원인 및 대책을 제시하였다. 화재 조사 위원회는 총 3회에 걸쳐 진행되었으며 화재 사고 조사 대상은 다음과 같다.

표 1의 에너지저장장치의 화재 사고 발생 현황을 살펴보면 지역과 용량에 관계없이 발생하는 것으로 나타났으며 주로 태양광발전과 연계한 에너지저장장치에서 집중적으로 화재가 발생한 것으로 나타났다. 정부의 3차례 조사 위원회를 통하여 에너지저장장치의 화재 발생 가능 원인에 대한 조사, 분석, 실증실험을 통하여 안전대책으로 제시하였다. 1차 조사 위원회를 통하여 주요 화재원인으로 배터리 보호시스템 미흡, 운영환경 관리 미흡, 설치 부주의, 에너지저장장치 통합제어 보호시스템 미흡으로 크게 4가지로 구분하였으며 직류 SPD 설치, 접지 시스템에 따른 지락 감시 장치 및 보호 장치 설치, 랙별 수동 차단 장치 시설, BMS 통신선 이격, 만충 후 추가 충전 제한 등 다양한 대책을 제시하였다^[3]. 2차 사고 조사 위원회에서는 현장 조사 및 BMS 데이터 분석, 모듈 셀 분해 분석을 통하여 배터리 내부의 지락 사고의 가능성을 제시하였으며 3차 사고 조사 위원회에서는 열폭주 선행이후 내부 지락 가능성을 제시하였다. 특히, 대부분의 에너지저장장치의 화재가 만충 후 휴지 상태이거나 만충 후 초기 방전 시 화재가 발생한 것으로 조사되었다. 만충 후 휴지 상태일 경우 전기적으로 변화가 없는 상태에서 화재가 발생한 것은 배터리 내부적인 문제나 환경적인 문제의 가능성을 고려할 필요가 있다.

3. 태양광 발전 연계 에너지저장장치 운영 현황

국내에서 설치되어 있는 태양광 발전 연계 에너지저장장치의 경우 대부분 계통 연계형 태양광 발전 설비로서 주간에 태양광 발전으로 생산되는 되는 전기를 에너지저장장치에 충전하고 야간 시간대에 방전하는 형태로 운영되고 있다. 이는 태양광 발전의 간헐적인 발전량 변동을 에너지저장장치을 통하여 안정적으로 전력 공급이 가능해 전력 계통의 안전성을 확보할 수 있으며 전력 수급에 유연하게 대처할 수 있다^[4~6]. 일반적인 태양광 발전 연계 에너지저장장치 계통 구성은 다음 그림과 같다.

그림 1. 태양광 발전 연계 에너지저장장치 계통 구성

Fig. 1. Power diagram of ESS in conjunction with Photovoltaic system

태양광 발전 연계 에너지저장장치 시스템의 경우 수요관리 및 FR 용도에 비해 소용량으로 설계되어 있으며 아래 그림과 같이 배터리는 주로 컨테이너나 가건물 형태의 건축물에 배치하고 있다.

그림 2는 컨테이터 타입의 배터리실로 리튬이온배터리 랙이 양쪽에 배치되어 있으며 천장에는 온도 유지를 위한 천장형 에어컨이 설치되어 있고 공기 순환을 위한 서큘레이터가 설치되어 있다.

4. 태양광 발전 연계 에너지저장장치 내부 환경 분석

앞서 언급한 바와 같이 태양광 발전 설비 연계형 에너지저장장치의 경우 저용량으로 설계되어 있고 현장이 주로 산속이나 노지에 설치되어 있기 때문에 주위 환경에 대한 영향을 크게 받으며 전기 안전 관리자가 상주하지 않기 때문에 상시 관리가 제대로 이루어지지 않고 있다. 특히, 리튬이온배터리의 충전 및 방전 운전 시 발생하는 열을 냉각시키 위하여 일반적으로 냉각장치로 에어컨을 이용하고 있다. 에어컨은 설정된 온도를 통해 동작하기 때문에 온도 관리에는 유리한 측면이 있지만 습도에 대한 관리가 이루어지지 않고 있다. 특히, 배터리실 주변의 온도와 내부 온도 차에 의한 결로 등이 설계에 반영되지 않았으며 배터리실의 방수 등급에 대한 명확한 기준이 되어 있지 않기 때문에 가건물 형태의 일부 배터리실에서는 누수 문제가 발생하기도 한다. 본 논문에서는 태양광 연계 에너지저장장치의 배터리실 내부 환경 특성을 분석하기 위하여 배터리실에 온도와 습도 센서를 설치하고 실제 충·방전 운전에 따른 배터리실 내부의 온도와 습도 변화 추이를 측정하였다.

- 측정시간 : 1440h

- 장소 : XX 태양광 연계 에너지저장장치 현장

- 설비제원

· PCS : 3상 3선식, 400kW, AC 400V

· 배터리 : 14S2P, 모듈 17EA, 랙 14EA, 1.54MWh, DC 880V

배터리실 내부의 다양한 온도 및 습도를 측정하기 위하여 다음과 같이 센서 12개를 설치하고 해당 기간 동안 온도 및 습도의 변화 추이를 기록하였다.

그림 3. 온도 및 습도 센서 위치

Fig. 3. Position of Temperature and Humidity Sensor

4.2 배터리실 습도 측정 결과

에너지저장장치의 충전 및 방전 운전 시 배터리실의 내부 습도를 측정한 결과는 다음과 같다.

표 3 최대 및 최저 습도 측정 결과

Table 3 Result of Max & Min Humidity

Sensor	Min Humidity (%)	Max Humidity (%)	Sensor	Min Humidity (%)	Max Humidity (%)
1-1	26.2	92.1	2-1	19.3	98.9
1-2	26.5	94	2-2	26.3	93.8
1-3	26.6	95	2-3	25.5	92.5
1-4	26.2	91.5	2-4	28.6	90.5
1-5	29.9	92.3	2-5	29.1	91.9
1-6	27.5	92.5	2-6	26.6	91.5

에너지저장장치 배터리실의 최대 및 최저 습도를 측정한 결과 2-1 센서에서 최대 습도 98.9%가 측정되어 있으며 전반적으로 모든 습도 센서의 최대 습도가 90%를 넘는 것으로 측정되었다. 제조사에서 제시하는 리튬이온배터리의 유지 기준과 단체 표준인 SPS-SGSF-025에 의한 관리 습도 기준이 최대 80%인 점을 감안한다면 배터리실 내부의 습도가 높은 것으로 도출되었다. 최대 습도가 측정된 2-1 센서의 시간대별 평균 습도는 다음과 같다.

그림 5. 배터리실 평균 습도(2-1 센서)

Fig. 5. Average Humidity of Battery room(2-1 Sensor)

배터리실의 평균 습도는 61.9%이지만 시간대별 습도를 살펴보면 배터리 만충 후 휴지기인 자정 시간대의 습도가 높은 것으로 나타나 배터리실 온도와 달리 배터리실 내부의 습도의 관리가 제대로 이루어지지 않는 것으로 나타났다.

4.3 온도와 습도 차이에 따른 이슬점 분석

이슬점은 공기 중의 수증기가 포화되어 그 수증기의 일부가 응축되어 액체 수분화되는 온도와 공기 습도의 비율을 나타낸다. 이슬점 온도는 현재 온도와 상대습도에 의하여 계산이 가능하다. 이슬점(Dew Point) $\tau(T,\: RH)$는 다음과 같이 계산된다^[7,8].

(1)

$\tau(T,\: RH)=\ln(\dfrac{RH}{100})+\dfrac{b T}{c+T}$

위 식 (1)을 정리하면 다음과 같다.

(2)

$T_{dp}=\dfrac{c\tau(T,\: RH)}{b-\tau(T,\: RH)}$

T : Temperature(℃)

RH : Humidity(%)

상수 b,c는 측정하고자 하는 온도 범위 및 오차율에 따라 다음과 같이 적용된다^[9,10].

Range(℃)	오차율	b	c
-45℃≤T≤60℃	±0.35℃	17,62	243.12
0℃≤T≤60℃	±0.4℃	17.27	237.7
0℃≤T≤50℃	≤0.05%	17.368	238.88
-40℃≤T≤0℃	≤0.06%	17.966	247.15

이슬점을 계산하기 위하여 보편적으로 다음과 같이 정리하여 사용한다.

(3)

$Dew\, Point =\dfrac{243.12 × \{\ln(\dfrac{RH}{100})+\dfrac{17.62×T}{243.12+T}\}}{17.62 - \{\ln(\dfrac{RH}{100})+\dfrac{17.62×T}{243.12+T}\}}$

T : Temperature(℃)

RH : Humidity(%)

식 3에 의해 계산된 이슬점의 온도 대비 물체의 온도가 낮으면 해당 물체에 이슬이 맺히게 된다^[10]. 앞서 측정된 최대 습도가 기록된 날을 기준으로 이슬점을 계산하고 측정된 최저 온도와 비교하면 다음과 같다.

그림 6. 최저 온도 및 이슬점(2-1 센서)

Fig. 6. Minimum Temperature & Dew Point(2-1 Sensor)

계산된 이슬점과 최저 온도를 비교했을 때 온도 차이가 약 3℃의 차이를 보이는 것으로 나타나 표면에 이슬이 발생할 가능성이 높은 것으로 나타났다. 또한, 에너지저장장치가 동작되는 시간대에서는 발생되는 열을 줄이기 위하여 에어컨이 동작

그림 7. 최저 온도 및 이슬점 변화

Fig. 7. Minimum Temperature & change in Dew Point

하였으며 으로 인해 온도와 습도가 낮아져 이슬점이 낮아지는 것으로 도출되었다. 이를 검증하기 위하여 배터리실에 항온항습기가 설치되어 있어 일정한 습도를 유지한다고 가정할 경우 이슬점과 최저 온도를 비교한 결과는 다음과 같다.

항온항습기에 습도가 일정하다고 가정했을 경우 이슬점을 계산하고 최저 온도와 비교한 결과 습도가 낮을수록 이슬점이 낮아지는 것으로 도출되었다. 이는 실제 최저 온도 간의 차이가 커지므로 표면에 수분이 생길 확률이 적어진다.

5. Conclusion

본 논문에서는 태양광 발전 시스템과 연계된 에너지저장장치 설비의 내부 환경 영향을 분석하였다. 국내 에너지저장장치의 화재 현황 및 원인을 알아보았으며 특히, 배터리실 내부의 환경 관리가 어떻게 되고 있는 지 분석하였다. 국내에 설치되어 있는 태양광 연계 에너지저장장치는 대부분 소용량이고 안전관리자가 상주하지 않기 때문에 관리가 소홀하다. 또한, 산지나 노지에 설치되어 있기 때문에 설치 환경의 영향을 크게 받는다. 특히, 배터리실 충전 및 방전 운전에 따른 온도를 제어하기 위하여 냉각장치로 에어컨을 사용하고 있다. 에어컨의 경우 온도에 대한 제어는 용이한 반면에 습도에 대한 제어가 되지 않아 실제 현장에서 습도를 측정한 결과 대부분의 위치에서 최대 습도가 90%를 넘었다. 이는 온도 및 습도 차이에 의한 이슬점에 영향을 주고 이슬점 이하의 온도일 경우 물체에 수분이 발생하게 된다. 이슬점이 포화될 경우 전극에 수분이 발생할 수 있고 이는 단락 사고로 이어져 화재가 발생할 수 있기 때문에 에너지저장장치의 화재 예방을 위해서는 적정한 온도와 습도 유지 관리를 위하여 항온항습기 설치 등의 조치가 필요할 것으로 사료된다.