에너지 시스템 안전 문제
재생에너지의 발전으로 전력 시스템에서 에너지 저장 시스템(ESS) 사용이 점차 증가하고 있습니다. 그러나 에너지 저장 시스템의 안전 문제 또한 심각해지고 있습니다.
에너지 저장 배터리에는 납산 배터리, 리튬 이온 배터리 등 다양한 유형이 있습니다. 나트륨 이온 배터리, 흐름 전지와 나트륨-황 전지는 각각 고유한 특성을 가지고 있으며 다양한 시나리오에 적합합니다. 그중에서도 리튬 전지는 높은 에너지 밀도, 긴 수명, 높은 효율, 빠른 응답 속도를 자랑하며 에너지 저장 분야의 주요 기술로 자리 잡았습니다. 48V 60V 72V 리튬이온 배터리는 전기자동차에 널리 사용됩니다., 가전제품 및 대규모 에너지 시스템을 개발하고 관련 기술 및 응용 분야 개발을 촉진합니다.
그러나 리튬 이온 배터리는 특히 열 안정성 측면에서 몇 가지 심각한 문제를 안고 있습니다. 리튬 이온 배터리는 고온, 과충전 또는 단락과 같은 극한 조건에서 열 폭주를 겪어 화재나 리튬 배터리 폭발이러한 안전 위험으로 인해 리튬 이온 배터리는 에너지 저장 시스템에서 폭발할 위험이 높아 안전 사고의 주요 원인 중 하나가 되었습니다.
불완전한 통계에 따르면, 지난 2019년(20241년~80년) 동안 전 세계 에너지 저장 발전소에서 수십 건의 화재 또는 폭발 사고가 발생했습니다. 그 중 리튬 이온 배터리로 인한 사고가 무려 XNUMX%에 달했습니다. 이러한 사고는 재산 손실을 초래할 뿐만 아니라 개인의 안전을 위협할 수 있어 리튬 이온 배터리의 안전성에 대한 광범위한 관심과 연구가 촉발되었습니다. 이러한 과제를 해결하기 위해 업계에서는 리튬 이온 배터리의 열 안정성을 개선하기 위한 기술적 솔루션을 적극적으로 모색하고 있으며, 더 높은 안전성과 신뢰성을 달성하기 위해 새로운 에너지 저장 배터리 기술을 개발하고 있습니다.
EPRI의 베이징 지메이 다홍먼 25MWh 직류 태양광 저장 및 충전 통합 발전소 프로젝트 사고 분석 보고서
중국전력연구원의 베이징 펑타이구 에너지저장발전소 화재폭발 사고 조사 보고서에 따르면, 베이징 지메이 다훙먼 발전소에서 16월 XNUMX일 사고가 발생했습니다. 보고서는 사고 원인을 XNUMX가지로 정리했습니다.
- 에너지 저장 배터리의 안전 품질
- 에너지 저장 시스템의 전기적 토폴로지
- 배터리 관리 시스템 (BMS)
- 케이블 및 배선 하네스의 현장 레이아웃
- 발전소 화재 예방 설계
- 발전소 화재 감시, 조기 경보 및 소화 시스템
- 기상 및 환경 요인
- 현장 인력 운영 및 관리 시스템
보고된 사고를 바탕으로, 에너지 저장 시스템의 안전 사고 원인은 일반적으로 내재적 배터리 위험, 외부 안전 위험, 불충분한 안전 설계 및 보호, 운영 관리 요인의 네 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다.
1. 배터리의 본질적인 안전 위험:
- 제조 결함: 내부 단락은 생산 중 금속 버 또는 전극 코팅 불량과 같은 문제로 인해 발생할 수 있습니다.
- 리튬 수지상 결정: 셀 내부에 리튬 수지상 결정이 형성되면 분리막이 뚫려 내부 단락이 발생할 수 있습니다.
- 배터리 노화: 배터리의 자연적 노화로 인해 에너지 저장 시스템의 전반적인 안전성이 손상될 수 있습니다.
2. 외부 안전 위험:
- 전기적 위험: 과충전, 과방전, 외부 단락 등이 포함됩니다.
- 기계적 위험: 압착이나 관통으로 인한 손상(예: 날카로운 물체에 의한 손상).
- 전자기 위험: 전자기 간섭으로 인해 시스템의 정상적인 작동이 방해받을 수 있습니다.
- 열 위험: 지나치게 높거나 낮은 온도는 배터리 성능과 안전성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
- 폭발 위험: 특정 조건에서는 배터리가 폭발할 수 있습니다.
- 부적절한 환경 조건: 불리한 환경 조건은 에너지 저장 시스템에 심각한 안전 위험을 초래할 수 있습니다.
3. 안전 설계 및 보호 부족:
- 부적절한 절연 모니터링: 절연 보호가 부족하면(DC 접촉기 고장, 모선 절연 실패 또는 AC 입력 배선 소손 등) 절연 성능이 저하되고 아크 고장 및 화재로 이어질 수 있습니다.
- 시스템 보호 조정의 부족: 보호 시스템 간의 비효율적인 조정은 전반적인 안전을 저해할 수 있습니다.
- 시스템 제어 오류: 열 관리 또는 기타 제어 시스템의 오류로 인해 과열이나 배터리 화재가 발생할 수 있습니다.
- 보조 장비 오작동: 보조 장비의 고장은 저장 시스템의 전반적인 안전성에 영향을 미칠 수도 있습니다.
4. 운영 및 관리 시스템 요소:
- 시스템 간 조정 부족: 배터리 관리 시스템(BMS), 전력 관리 시스템(PMS), 에너지 관리 시스템(EMS) 간의 통신 및 조정이 부족하거나, 공정 제어 시스템(PCS)과 배터리 보호 시스템 간의 조정되지 않은 운영은 시스템 수준의 충돌을 유발할 수 있습니다. 예를 들어, 고장 발생 후 배터리 상태를 확인하지 않고 PCS를 재시작하면 AC/DC 인터페이스 문제가 발생할 수 있습니다.
- 관리 시스템 실패: 여기에는 결함이 있는 관리 프레임워크, 부실한 환경 제어(예: 과도한 습도나 먼지), 부적절한 오류 보고 등이 포함되며, 이로 인해 유지 관리가 지연되고 안전 위험이 증가할 수 있습니다.
- 에너지 저장 스테이션의 부적절한 운영 및 유지 관리: 배치 후 관리 및 유지 관리가 부실하면 운영 문제가 해결되지 않을 수 있으며, 심각한 안전 위험으로 확대될 가능성이 있습니다.
에너지 저장 시스템의 위험 식별
열 폭주 위험
열 폭주는 배터리 내부 열 발생률이 열 방출률을 크게 초과하는 상태를 말합니다. 이로 인해 시스템 내부에 열이 빠르게 축적되고, 효과적으로 방출되지 못하여 결국 온도 제어가 불가능해지고 화재나 폭발을 유발할 수 있습니다.
배터리 열 폭주 과정은 일반적으로 다음과 같습니다. 단일 셀은 기계적 또는 전기적 과열로 인해 과도한 자체 발열을 발생시킵니다. 이러한 과열 현상으로 인해 배터리 온도가 상승하여 열 과열 단계에 이르게 되고, 이는 열 폭주를 유발합니다. 열 폭주 과정에서 가연성 가스와 연기가 발생하고, 배터리가 연소되기 시작하여 연쇄 반응을 유발하여 결국 에너지 저장 발전소에서 화재 또는 폭발로 이어질 수 있습니다.
배터리 노후화 및 내부 결함 외에도 다음과 같은 요인도 열 폭주에 영향을 미칠 수 있습니다.
- 과충전 또는 과방전: 배터리의 설계된 작동 한계를 넘어 배터리를 충전하거나 방전하는 것.
- 중대한 연결 실패: 전기 연결 지점의 고장으로 인해 잠재적인 안전 위험이 발생합니다.
- 관리 시스템 오류: 배터리 관리 시스템(BMS)이 배터리 상태를 효과적으로 모니터링하고 제어하지 못합니다.
- 제조 결함: 제조 과정에서 발생하는 내부 단락이나 기타 결함과 같은 문제입니다.
- 배터리 노후화: 시간이 지남에 따라 배터리 성능이 저하되어 내부 단락이나 기타 오류가 발생할 수 있습니다.
- 셀 보호 장치의 고장: 보호 장치가 변형되거나 고장나면 배터리의 안전성이 손상될 수 있습니다.
- 고온 또는 저온 작동: 배터리의 안전과 성능에 부정적인 영향을 미치는 극한의 온도 조건입니다.
- 배터리 변형 및 누출: 배터리 케이스의 변형이나 내부 액체의 누출.
- 가스 누출 또는 가연성 가스 방출: 연소 중에 배터리는 가연성 가스를 방출하여 추가적인 위험을 초래할 수 있습니다.
전기 위험
전기 위험은 에너지 저장 시스템에서 가장 심각한 안전 위험 중 하나입니다. 에너지 저장 시스템의 용량과 전압이 지속적으로 증가함에 따라 시스템 전압은 낮은 수준에서 점차 1500V DC까지 상승했습니다. 전기 안전 측면에서 60V DC를 초과하는 전압은 위험으로 간주되며, 충전부에 우발적으로 접촉하면 감전 위험이 발생할 수 있습니다.
따라서 에너지 저장 시스템은 작동 중 전기 부품과의 직간접적인 접촉을 방지하기 위해 효과적인 전기 절연 조치를 취해야 합니다. 예를 들어, 절연 저항 감소로 인한 감전 위험이 있습니다. 절연 저항은 절연 재료의 완전성을 나타냅니다. 케이블이나 연결부가 손상, 노화 또는 절연층의 열화로 인해 절연 저항이 감소할 수 있습니다. 이러한 경우, 절연층의 손상으로 인해 케이블 내부 도체가 노출되어 누설 전류가 발생할 수 있습니다. 이러한 누설은 유지보수 담당자의 감전 위험을 증가시킵니다.
또한, 에너지 저장 시스템은 일반적으로 많은 보조 전기 장치를 포함하고 있으며, 설치 환경이 복잡한 경우가 많습니다. 고전압, 대전류(예: 낙뢰 또는 서지) 또는 장비 및 케이블의 노후화로 인한 보호 소자 고장과 같은 예상치 못한 사고는 보호 기능의 오작동이나 비정상적인 절연을 초래하여 감전 및 기타 안전 사고로 이어질 수 있습니다.
기능적 안전 위험: 기능적 안전은 제어되는 장비 및 관련 시스템의 고장이나 실패로 인해 발생하는 위험 때문에 에너지 저장 시스템 안전의 중요한 부분입니다.
부적절한 작업 환경:
에너지 저장 시스템의 위험성 평가
에너지 저장 시스템의 안전성은 전기화학적 에너지 저장 시스템의 전체 수명 주기에 적용되는 포괄적이고 복잡한 문제입니다. 즉, 에너지 저장 시스템의 개념 설계 및 개발 단계부터, 시스템 제조 단계, 제품 운영 및 사용 단계, 서비스 및 유지 관리 단계를 거쳐 최종 폐기 단계까지 적용됩니다.
에너지 저장 시스템 안전 위험은 설치 위치, 화학 성분, 크기/규모(예: 전기) 등 여러 요인에 따라 달라질 수 있으므로 이에 따라 평가해야 합니다. 에너지 저장 시스템의 안전한 위치는태양광 배터리 저장 시스템은 가정용으로 사용할 수 있습니다., 그리드를 위한 대규모 시스템에 대한 산업 및 상업 응용 프로그램이러한 위험은 그에 따라 평가될 필요가 있습니다.
시스템 위험 분석을 수행할 때 IEC 62933-5-1 표준은 하향식 분석 방법과 일반적인 FMEA 분석, 결함 트리 분석, HAZOP 분석, STAMP 분석과 같은 상향식 분석 방법 등 다양한 방법을 제공합니다. 일련의 분석 방법을 통해 잠재적 위험을 파악하고, 안전 시스템 설계 및 안전 보호 메커니즘의 전자 회로 개발을 통해 위험을 최소화하여 허용 가능한 수준으로 낮추는 것이 중요합니다.
에너지 저장 시스템(ESS)에 대한 위험 완화 조치
안전 문제는 제품 품질의 핵심 요소이며, 에너지 저장 시스템의 안전 확보는 에너지 저장 산업의 지속 가능한 발전을 위한 주요 과제가 되었습니다. 에너지 저장 제품의 특수성으로 인해 여러 안전 기능을 결합하여 안전을 확보해야 합니다. ISO/EC 가이드 51에 명시된 바와 같이, 에너지 저장 설계 프로세스에서 취해지는 위험 감소 조치는 "본질적", "안전 설계", "보호 장치", 그리고 "최종 사용자 정보"입니다. 사용 단계(수명주기 안전 관리)에 대한 추가 조치 또한 ISO/IEC 51 가이드에 명시되어 있습니다.
에너지 저장 시스템 설계는 시스템 및 구성 요소의 기술적 측면에서부터 시작해야 할 뿐만 아니라, 잠재적 위험을 사전에 예측 및 식별하고, 능동적인 보호 기능을 제공하며, 고장 발생 시 초기 단계에서 문제를 해결하는 방법까지 고려해야 합니다. 극한의 사고 발생 시에도 인명과 재산의 안전을 보장하는 상향식(bottom-up) 역량을 제공할 수 있습니다.
에너지 저장 시스템(ESS)을 위한 본질적 안전 설계
- 합리적인 하위 시스템 선택
- 보호 기능 설계
- 시스템 기능 안전 설계
- 구조 설계
- 전기 설계
- 방화 설계
- 환기 및 폭발 완화 설계 등
보증 및 보호 조치
- 하위 시스템의 내부 결함은 하위 시스템 외부로 확산될 수 없습니다.
- 고전압 시스템은 원격에서 위험한 작업을 방지합니다.
- 단일 절연 결함으로 인해 위험 전압이 발생하는 모든 구성 요소는 관련 표준에 따라 접지하고 번개로부터 보호해야 합니다.
- 배터리 하위 시스템의 외부 연결부에는 과전류 보호 기능이 제공되어야 합니다.
- 에너지 저장 시스템 하위 시스템의 연결 오류로 인해 위험한 상황이 발생해서는 안 되며, 배터리의 적재 및 하역은 적절한 리프팅 장비를 사용하여 수행해야 합니다.
- 시스템 케이스 또는 브라켓은 불연성 재료로 만들어야 합니다. 배터리 구역, 충전 장비 구역, 분리 및 방전 회로 구역은 시스템 내부에서 내화 구역으로 구분되어야 합니다.
- 보조, 제어 및 통신 시스템 고장 보호: 단일 고장 안전을 충족해야 하며, 전원 공급이 중단되거나 변동하더라도 위험이 발생하지 않아야 합니다.
- 환경적 위험 보호: 야외 에너지 저장 시스템은 최소 IPX4를 충족해야 하며, 바다 근처에 설치하는 경우 염분 분무 보호가 필요합니다.
- DC 및 AC 측 모두 접지 고장 보호 및 경보 기능이 있어야 합니다.
- 배터리가 과충전되면 청각적, 시각적 경보가 있어야 합니다. 배터리 하위 시스템 내부의 과전류 상황을 보고해야 합니다.
- 해당 시스템에는 가연성 가스 감지 시스템이 장착되어 있어야 하며, 청각적, 시각적 경보를 제공해야 합니다.
- 시스템에는 환기 시스템이 갖춰져야 하며 다음 요구 사항을 충족해야 합니다. 환기 시스템은 캐비닛 내부의 적절한 온도를 보장해야 합니다. 자연 환기가 불충분할 경우 강력한 배기가 제공되어야 합니다. 통풍구는 화재 확산과 물 유입을 방지할 수 있어야 합니다.
운영 및 유지 관리, 직원 교육, 최종 사용자에게 제공되는 정보
- 사용자에게 제공되는 안전 정보: 경고 표지 및 신호, 현장의 위험 부분을 나타내는 라벨, 소리 및 빛 경보 장치, 안전 설계 프로세스 흐름도
- 현장 작업자의 안전을 보호하기 위해 원격 작업보다 현장 작업이 우선되어야 합니다. 안전 비상 계획을 수립해야 하며, 배터리 하위 시스템의 외부 연결부에 과전류 보호 기능을 제공해야 합니다.
- 운영 및 유지관리 매뉴얼은 소유자에게 제공되어야 하며, 제조업체나 시스템 통합자는 정기적인 유지관리 계획을 개발해야 합니다.
- 제조업체는 장비나 안전 시스템을 작동하는 인력의 역량과 승인 요구 사항에 대한 지침을 제공해야 합니다.
