규제 격차와 기술적 미숙함: 에너지 저장 및 방화 기술 개발의 주요 장벽
에너지 저장 산업은 급속한 발전 단계에 접어들고 있습니다. 그러나 에너지 저장 시스템을 지원하는 방화 부문은 아직 초기 단계에 있습니다. 현재 제품 적용 분야는 비교적 단순하며, 주로 가스 기반 소화기를 사용합니다. 시장 규모는 아직 작으며 에너지 저장 부문의 성장 속도를 따라가지 못하고 있습니다.
에너지 저장 산업에서 화재 안전 개발을 제한하는 두 가지 주요 요인은 다음과 같습니다.
첫째, 업계 규정 및 표준이 부족하고 감독 체계가 여전히 취약합니다. 에너지 저장 시스템 구축 규모가 아직 제한적이기 때문에 시장이 완전히 성숙되지 않았으며, 이 분야의 화재 안전에 대한 규제 제약은 상대적으로 적습니다. 그러나 에너지 저장 산업의 규모가 지속적으로 확대됨에 따라 안전의 중요성은 더욱 커질 것입니다. 이에 따라 에너지 저장 시스템에 대한 관련 화재 안전 기준이 점진적으로 확립되고 개선될 것으로 예상됩니다. 또한, 에너지 저장 관련 사고가 빈번하게 발생함에 따라 안전 문제에 대한 관심이 높아지고 있습니다.
둘째, 에너지 저장 분야의 화재 방지 제품과 솔루션은 아직 미숙합니다. 에너지 저장 시스템에서 발생하는 화재는 복잡한 시나리오, 장시간의 연소, 그리고 높은 파괴력을 특징으로 하며, 건물과 같은 기존 환경과는 크게 다릅니다. 결과적으로 기존의 화재 감지 및 진압 방식은 에너지 저장 분야에 효과적이지 못한 경우가 많습니다. 효과적이고 맞춤형 솔루션의 부재는 이 분야의 화재 안전 발전을 저해하는 주요 장애물 중 하나가 되었습니다.
그러나 에너지 저장 산업이 지속적으로 성장함에 따라, 에너지 저장 장치 공급업체와 화재 안전 회사 모두 적합한 화재 예방 전략 개발에 점점 더 집중하고 있습니다. 에너지 저장 장치 사용 사례에 특화된 더욱 효과적인 화재 감지 및 진압 시스템을 설계하고 구현하기 위한 협력 노력이 이루어지고 있으며, 이를 통해 업계 표준 수립 및 구현도 가속화될 것으로 예상됩니다.
전기화학 에너지 저장 분야의 급속한 성장으로 화재 안전 기준이 점진적으로 개선됨
에너지 저장 기술에는 펌프 수력 발전 저장, 전기화학 발전 저장, 압축 공기 에너지 저장, 용융염 발전 저장, 플라이휠 발전 저장 등이 있습니다.
그 중에서도 펌프 수력 발전은 비용이 저렴하고 용량이 크기 때문에 현재 에너지 저장 시장에서 지배적인 위치를 차지하고 있습니다.
그러나 최근 몇 년 동안 신에너지 자동차 산업의 급속한 발전으로 리튬 배터리 비용이 급격히 하락했습니다. 그 결과, 주로 리튬 배터리 기술을 기반으로 하는 전기화학 에너지 저장 장치의 설치 용량이 크게 증가했습니다.
이러한 성장은 주로 펌프 수력 발전에 비해 전기화학적 저장의 장점에 의해 주도됩니다. 전기화학적 저장은 지리적 조건에 덜 제약을 받으며 에너지 시스템의 고주파 전력 변동을 보상하는 데 더 적합합니다.
2025년 기준 전 세계 누적 에너지 저장 용량은 191.1GW에 달하여 전년 대비 3.4% 증가했습니다. 모든 기술 중에서는 양수 발전이 가장 큰 비중을 차지했으며, 총 용량은 전년 대비 172.5% 증가한 0.9GW로 전 세계 에너지 저장 용량의 90.3%를 차지했습니다.
전기화학 에너지 저장은 누적 설비 용량이 14.2GW로 전체의 약 7.5%를 차지했습니다. 전기화학 에너지 저장 분야에서는 리튬 이온 배터리가 13.1GW로 가장 많은 설비 용량을 차지했으며, 이는 전기화학 에너지 저장 용량의 92.0%를 차지합니다.
2011년 이후 전 세계 에너지 저장 설비 설치 속도는 눈에 띄게 가속화되었으며, 꾸준한 증가 추세를 보이고 있습니다. 2018년 전 세계 전기화학 에너지 저장 설비는 상당한 확장세를 보였으며, 누적 용량은 전년 대비 120% 이상 증가했습니다. 2024년부터 2025년까지 전 세계 누적 전기화학 에너지 저장 용량은 연평균 약 50%의 성장률을 기록할 것으로 예상됩니다.
"이중 탄소" 목표에 따라 에너지 저장에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있습니다. 그러나 최근 몇 년 동안 전기화학 에너지 저장 시스템 관련 사고가 증가하여 상당한 사회적, 경제적 손실을 초래하고 있습니다. 대규모 구축이 임박함에 따라 에너지 저장과 관련된 안전 위험은 더욱 심각해지고 있습니다.
지난 30년 동안 전 세계적으로 전기화학 에너지 저장 발전소에서 XNUMX건 이상의 화재 및 폭발 사고가 보고되었습니다. 그중 중국에서 발생한 사고는 XNUMX건으로, 올해 XNUMX월 베이징 펑타이구의 에너지 저장 발전소에서 발생한 사고도 포함됩니다.
건설 및 시스템 시운전 중, 발전소에서 화재가 발생하여 폭발하여 2명이 사망하고 1명이 부상당했으며, 1명이 실종되었습니다. 화재는 정오 12시경 발생하여 같은 날 오후 00시 11분이 되어서야 완전히 진압되었습니다.
베이징 에너지 저장소 화재 사건
전기화학적 에너지 저장 용량이 급속히 성장하고 이와 관련된 사고가 빈번하고 파괴력이 매우 크기 때문에 정부 당국은 에너지 저장 시스템의 안전 관리에 점점 더 중점을 두고 있습니다.
전기화학 에너지 저장 안전과 관련된 주요 정책
발급 기관: 국가 에너지 관리국(NEA)
정책문서: 전기화학 에너지 저장 발전소 안전관리를 위한 임시조치
주요내용：(1) 발전소의 본질적 안전관리 강화를 주요 목표로 한다.
(2) 안전관리체계를 구축하고 개선하며, 에너지저장 안전관리를 기업 안전관리체계에 접목시키는 것을 주요 목표로 한다.
(3) 발전소 화재 비상 관리 강화를 주요 목표로 합니다. 화재 설계 최적화, 의무적인 화재 검사 및 접수, 화재 비상 관리 시행, 그리고 다자간 화재 비상 연계를 통해 사고 및 위험에 효과적으로 대응하고 인명 및 재산 피해를 최소화할 수 있습니다.
에너지 저장 화재 보호: 기술적 장벽에서 효과적인 제품 솔루션까지
리튬 배터리는 어떻게 화재를 일으키나요?
구조적으로 리튬 이온 배터리는 밀폐된 공간에 많은 양의 에너지를 저장하기 때문에 본질적으로 안전 위험을 초래합니다. 리튬 이온 배터리 안전 위험의 근본 원인은 열 폭주입니다. 이는 배터리 내부의 유기 소분자들이 관여하는 부반응으로 인해 발생하는 연쇄 반응으로 인해 발생하며, 이로 인해 열 폭주가 시작됩니다.
리튬 이온 배터리의 열 폭주는 세 단계로 나눌 수 있습니다.
1단계: 열 폭주 초기 단계
내부 또는 외부 요인으로 인해 배터리 내부 온도는 약 90~100°C까지 상승합니다. 이 온도에서 음극 표면의 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 부동태층이 분해되기 시작하여 열을 방출하고, 이로 인해 배터리 내부 온도가 급격히 상승합니다. 온도가 약 135°C에 도달하면 분리막이 녹고 수축하기 시작하여 양극과 음극이 접촉하여 내부 단락 및 지속적인 발열이 발생합니다.
2단계: 배터리 팽창 단계
250~350°C의 온도에서 양극 물질(C6Li) 또는 증착된 리튬은 전해질 내의 유기 용매와 반응합니다. 이 반응으로 메탄이나 에탄과 같은 가연성 탄화수소 가스가 방출되고, 상당한 열이 발생하여 배터리가 팽창합니다.
3단계: 열 폭주 및 폭발 단계
이 단계에서 충전된 양극재는 전해질과 격렬한 산화 분해 반응을 계속 겪으며, 이로 인해 극도로 높은 온도와 다량의 유독 가스가 발생합니다. 이로 인해 배터리가 심하게 연소되어 결국 폭발로 이어질 수 있습니다.
리튬 이온 배터리의 열 폭주 메커니즘에 대한 그림
리튬 배터리는 왜 소화하기 어려울까?
리튬 배터리 에너지 저장 시스템은 수십 개의 셀을 직렬 및 병렬로 연결하여 배터리 모듈을 형성합니다. 이 모듈들은 직렬로 연결되어 배터리 스트링을 형성하고, 이 스트링들은 병렬 배열을 통해 배터리 저장 캐비닛에 통합됩니다.
화재 발생 시, 단일 셀의 열 폭주는 연쇄 반응을 유발할 수 있습니다. 열 전달과 열 복사를 통해 인접한 셀들이 열 폭주를 유발하여 결국 리튬 배터리 에너지 저장 시스템 전체에 대규모 화재를 발생시킵니다.
리튬 이온 배터리 에너지 저장 시스템의 화재는 다른 유형의 화재와 비교하여 고유한 특성을 가지고 있습니다.
강렬한 연소와 빠른 열 전파
독성이 강하고 연기가 많이 발생하며 위험성이 크다
재점화 위험이 높고 소화가 매우 어려움
리튬 배터리 에너지 저장 시스템 화재의 주요 특징:
강렬한 연소와 빠른 열 전파
독성이 강하고 연기가 짙으며 위험성이 심각함
재점화 위험이 높고 소방활동이 매우 어려움
에너지 저장 배터리에는 내화 설계가 필요한 반면, 전기 자동차 배터리에는 일반적으로 필요하지 않은 이유는 무엇일까요?
전기 자동차(EV) 배터리에 비해 에너지 저장 배터리는 화재 위험이 더 큽니다. 화재 발생 시 적시에 진화하지 않으면 빠르게 확산될 수 있으므로 조기 경보 및 예방 조치가 매우 중요합니다. 또한, 에너지 저장 시스템은 화재 방지 장비를 설치할 수 있는 물리적 공간이 더 넓은 반면, 전기 자동차는 공간 제약이 더 큽니다.
구조적 관점에서 볼 때, 리튬 이온 에너지 저장 시스템과 전기차 배터리 시스템은 모두 동일한 계층적 구성 요소, 즉 개별 셀, 모듈, 배터리 팩, 그리고 전체 시스템을 공유합니다. 그러나 핵심적인 차이점은 규모에 있습니다. 에너지 저장 시스템은 전기차 배터리 시스템보다 훨씬 더 많은 개별 셀을 포함하고 있어, 일반적으로 전기 자동차보다 총 에너지 용량이 10배에서 100배 더 큽니다.
예를 들어, 전기 자동차 144V 200Ah 리튬 배터리 팩 또는 골프 카트 72V 150Ah 리튬 이온 배터리 팩 운송 수요를 효율적으로 충족할 수 있지만, 에너지 용량은 계통 연계형 에너지 저장 시스템보다 현저히 낮습니다. 따라서 화재 발생 시 축전지 시스템 사고의 심각성과 잠재적 피해는 훨씬 더 크기 때문에 전용 방화 설계가 필요합니다.
화재 메커니즘:
두 에너지 저장 시스템(204V 200Ah 리튬 이온 배터리 40KWh Lifepo4 배터리 에너지 배터리 저장 시스템) 및 EV 배터리(전기 자동차 리튬 배터리 - 골프 카트 144V 200Ah 배터리 팩) 오용으로 인해 단일 셀에서 발생하는 열 폭주로 인해 화재가 발생할 수 있습니다. 그러나 화재 확산은 다릅니다. 전기차의 경우, 화재는 일반적으로 인근 셀이나 모듈로 확산되지만, 저장 시스템의 경우 시스템 크기가 더 크기 때문에 여러 모듈로 확산될 수 있습니다.
리튬 이온 배터리 에너지 저장 시스템의 화재 진압 과제 및 솔루션
산소 차단이나 연소 연쇄 차단과 같은 기존 방법은 리튬 이온 배터리 화재를 완전히 진압하기에 충분하지 않습니다. 효과적인 진압은 소화와 열 냉각을 모두 달성해야 합니다.
고체 소화제는 리튬 배터리 화재에 거의 효과가 없습니다.
기체 상태의 냉각제는 효율성이 제한적이고 냉각 성능이 좋지 않습니다.
수성 약제는 비용 효율적이고 환경 친화적일 뿐만 아니라, 상당한 냉각 및 화재 진압 효과를 제공합니다.
대규모 리튬 이온 배터리 에너지 저장 시스템(ESS)의 경우, 새롭고 효율적이며 재점화 방지 기능을 갖춘 소화약제와 첨단 소화약제 전달 시스템의 개발이 매우 중요합니다. 이러한 혁신은 전기화학 에너지 저장 시스템의 화재 안전을 강화하고 에너지 저장 및 방화 산업의 성장을 촉진할 것입니다.
