리튬이온배터리 폭연시 가연성 가스 방출량을 고려한 ESS의 안전거리 산정에 관한 연구 = A Study on the Estimation of Safety Distance of ESS Considering the Amount of Flammable Gas Emissions from Lithium-Ion Batteries

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Due to the climate crisis, the use of renewable energy has begun to be commercialized in earnest, and the replacement of fossil fuels using electric energy and related industries are also being fostered. Among them, ESS using secondary batteries has been greatly activated, and electric vehicles or ESS facilities using secondary batteries are widely used both in Korea and abroad. However, lithium-ion batteries with a risk of explosion are the most widely used, and many fire accidents occur due to this. ESS fire accidents in Korea are investigated by related ministries and legal regulations are being enacted and supplemented, but fires are constantly occurring. A fire caused by a lithium-ion battery takes a long time to extinguish, so a plan to prevent the fire or minimize the damage shall be installed and managed accordingly, but it was determined that clear safety standards were insufficient under the current ESS laws.
When gas is released due to an unknown cause of thermal runaway in a lithium-ion battery, the combustion product is toxic or combustible, and when battery cells gather to form an ESS battery chamber, a large amount of combustible mixed gas with a wide explosion range is released. As a result, if a fire or explosion occurs, an environment in which combustibles continue to exist may be formed due to serial gas emission.
Therefore, this study quantitatively identified the risk level through the amount of combustible gas emitted in the event of fire from ESS facilities where lithium-ion batteries are stored, and provided the basis for calculating safe distances by calculating ESS and other facilities that can act as combustibles. The maximum radiant heat generated when the storage capacity was changed was 9.8 kW/m2, 9.6 kW/m2, and 8.4 kW/m2 in 5.94 MWh, 2.97 MWh, and 600 kWh storage facilities, respectively.

국문 초록 (Abstract)

기후 위기로 인해 신·재생에너지의 활용이 본격적으로 상용화되기 시작하며 전기 에너지를 이용한 화석연료의 대체와 관련 산업 또한 함께 육성되고 있다. 그 중 이차전지를 활용한 ESS가 크게 활성화되었으며, 국내를 비롯해 해외에서도 이차전지를 활용한 전기차 또는 ESS 설비가 널리 사용되고 있다. 다만 폭발 위험성을 지닌 리튬이온배터리가 가장 폭넓게 사용되며 실제로 이로 인한 화재사고가 다수 발생하고 있다. 국내에서 발생한 ESS 화재사고와 관련해 유관 부처의 사고 조사가 이루어지며 법적 규제가 제정 및 보완되고 있음에도 화재는 끊임없이 발생하고 있다. 리튬이온배터리로 인해 발생한 화재는 소화에 오랜 시간이 걸리는 만큼 화재를 예방하거나 피해를 최소화할 수 있는 방안이 필요하며 이에 따라 시설 및 관리되어야 하지만, 현행 ESS 관련 법령상 명확한 안전기준이 부족하다고 판단하였다.
리튬이온배터리에서 미상의 원인으로 열폭주로 인한 화재가 발생하고 가스가 방출되는 경우 연소생성물은 독성 또는 가연성을 띠며, 배터리 셀이 모여 ESS 배터리실을 이룰 경우 폭발범위가 넓은 다량의 가연성 혼합가스가 방출된다. 이로 인해 화재 또는 폭발이 발생한다면 연쇄적인 가스 방출로 인해 가연물이 계속하여 존재하는 환경이 형성될 수 있다.
따라서 본 연구에서는 리튬이온배터리가 저장되어있는 ESS 설비에서 화재 시 방출되는 가연성 가스의 양을 통해 정량적으로 위험 수준을 파악하고, ESS와 그 외 가연물로 작용할 수 있는 타 설비, 또는 배터리 화재와 폭발로 인해 영향을 받을 수 있는 인근 설비 및 인체 피해를 최소화하기 위한 피해 영향 범위를 산출하여 안전거리 산정의 근거를 제시하였다. 저장용량을 달리하였을 때 발생하는 최대 복사열은 5.94 MWh, 2.97 MWh, 600 kWh급 저장시설에서 각각 9.8 kW/m2, 9.6 kW/m2, 8.4 kW/m2이며 공장 건물이 파손될 수 있는 4 psi 수준의 과압의 경우 각각 68 m, 52 m, 30 m로 산출되었다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구의 목적 2
• 제2장 이론적 배경 3
• 2.1 ESS 3
• 2.1.1 ESS의 정의 및 개요 3
• 2.1.2 ESS 설비의 구성 및 기능 3
• 2.2 리튬이온배터리 5
• 2.2.1 리튬이온배터리의 구성 및 특성 5
• 2.2.2 리튬이온배터리의 위험요소 6
• 2.3 ESS 관련 화재 및 폭발 사고 현황 8
• 2.3.1 국내 사고 현황 8
• 2.3.2 해외 사고 현황 10
• 2.4 국내·외 ESS 안전관리 제도 10
• 2.4.1 국내 ESS 안전관리 제도 10
• 2.4.2 국외 ESS 안전관리 제도 14
• 2.5 선행연구 15
• 2.5.1 리튬이온배터리의 위험 수준 파악에 관한 선행연구 15
• 2.5.2 안전거리 산정 방안에 관한 선행연구 16
• 2.5.3 선행연구 고찰 17
• 제3장 연구 방법 18
• 3.1 연구 절차 18
• 3.2 안전거리 산정 방법론 19
• 3.2.1 복사열 19
• 3.2.2 과압 21
• 3.3 피해 영향 범위 산정 프로그램 23
• 3.4 시나리오 선정 24
• 3.4.1 저장소와 배터리 랙 24
• 3.4.2 가연성 가스의 방출량 25
• 제4장 연구 결과 29
• 4.1 피해 영향 범위 산출 29
• 4.1.1 복사열 발생수준 및 도달거리 29
• 4.1.2 과압 발생수준 및 도달거리 33
• 제5장 결론 37
• 5.1 연구 요약 37
• 5.2 한계점 38
• 참고 문헌 39