배경

에너지 위기로 인해 최근 몇 년간 리튬이온전지 에너지저장장치(ESS)가 널리 보급됐지만, 시설과 환경의 피해, 경제적 손실, 심지어 재산 손실까지 초래하는 위험한 사고도 잇따르고 있다. 삶. 조사 결과 ESS는 UL 9540, UL 9540A 등 배터리 시스템 관련 표준을 충족했음에도 불구하고 열 남용 및 화재가 발생한 것으로 나타났다. 따라서 과거 사례로부터 교훈을 얻고 위험과 대응책을 분석하는 것은 ESS 기술 개발에 도움이 될 것입니다.

사례 검토

2019년부터 현재까지 공개적으로 보도된 전 세계 대규모 ESS 사고 사례를 정리하면 다음과 같다.

위 사고의 원인은 다음 두 가지로 요약할 수 있다.

1) 내부 셀의 고장으로 인해 배터리와 모듈의 열 남용이 발생하고, 결국 ESS 전체에 화재가 발생하거나 폭발하게 됩니다.

셀의 열적 남용으로 인한 고장은 기본적으로 화재에 이어 폭발이 일어나는 것으로 관찰됩니다. 예를 들어 2019년 미국 애리조나주 맥미켄 발전소 사고, 2021년 중국 베이징 펑타이 발전소 사고는 모두 화재 뒤 폭발했다. 이러한 현상은 단일 셀의 고장으로 인해 내부 화학반응이 일어나 열을 방출(발열반응)하고, 온도가 지속적으로 상승해 주변 셀과 모듈로 확산되어 화재나 폭발까지 일으키는 현상이다. 셀의 고장 모드는 일반적으로 과충전 또는 제어 시스템 고장, 열 노출, 외부 단락 및 내부 단락(압입 또는 찌그러짐, 재료 불순물, 외부 물체의 침투 등과 같은 다양한 조건으로 인해 발생할 수 있음)으로 인해 발생합니다. ).

셀의 열 남용 후 가연성 가스가 생성됩니다. 위에서 보면 처음 세 가지 폭발 사례의 원인은 동일하다는 것을 알 수 있습니다. 즉, 가연성 가스가 제때에 방출되지 않는다는 것입니다. 이 시점에서는 배터리, 모듈 및 컨테이너 환기 시스템이 특히 중요합니다. 일반적으로 배기 밸브를 통해 배터리에서 가스가 배출되며, 배기 밸브의 압력 조절로 가연성 가스의 축적을 줄일 수 있습니다. 모듈 단계에서는 일반적으로 가연성 가스의 축적을 방지하기 위해 외부 팬이나 쉘의 냉각 설계가 사용됩니다. 마지막으로 컨테이너 단계에서는 가연성 가스를 배출하기 위한 환기 시설과 모니터링 시스템도 필요합니다.

2) 외부 보조 시스템 장애로 인한 ESS 장애

보조 시스템 장애로 인한 전반적인 ESS 장애는 일반적으로 배터리 시스템 외부에서 발생하며 외부 구성 요소에서 연소 또는 연기가 발생할 수 있습니다. 그리고 시스템이 이를 적시에 모니터링하고 대응하면 셀 고장이나 열 남용으로 이어지지 않습니다. Vistra Moss Landing 발전소 2021년 1단계 및 2022년 2단계 사고에서는 시운전 단계에서 결함 모니터링 및 전기 안전 장치가 꺼지고 적시에 대응하지 못하여 연기와 화재가 발생했습니다. . 이러한 화염 연소는 일반적으로 배터리 시스템 외부에서 시작되어 최종적으로 셀 내부로 확산되므로 격렬한 발열 반응 및 가연성 가스 축적이 없으므로 일반적으로 폭발이 발생하지 않습니다. 더욱이 스프링클러 시스템을 적시에 가동할 수 있다면 시설에 큰 피해를 입히지 않을 것입니다.

2021년 호주 질롱에서 발생한 '빅토리안 발전소' 화재 사고는 냉각수 누출로 인한 배터리 단락이 원인이어서 배터리 시스템의 물리적 격리에 주의가 필요하다. 상호 간섭을 피하기 위해 외부 시설과 배터리 시스템 사이에 일정한 공간을 유지하는 것이 좋습니다. 배터리 시스템에는 외부 단락을 방지하기 위한 절연 기능도 장착되어야 합니다.

대책

위의 분석을 통해 ESS 사고의 원인은 셀의 열 남용과 보조 시스템의 고장임이 분명해졌습니다. 장애를 예방할 수 없는 경우 차단 장애 이후의 추가 열화를 줄이면 손실도 줄일 수 있습니다. 대응책은 다음과 같은 측면에서 고려될 수 있습니다.

셀의 열 남용 후 열 확산 차단

셀 사이, 모듈 사이 또는 랙 사이에 절연 장벽을 추가하여 셀의 열 남용 확산을 차단할 수 있습니다. NFPA 855(고정형 에너지 저장 시스템 설치 표준)의 부록에서도 관련 요구 사항을 확인할 수 있습니다. 장벽을 분리하기 위한 구체적인 조치에는 냉수판, 에어로젤 등을 세포 사이에 삽입하는 것이 포함됩니다.

단일 셀에서 열 남용이 발생할 경우 신속하게 반응하여 화재 진압 장치를 활성화할 수 있도록 배터리 시스템에 화재 진압 장치를 추가할 수 있습니다. 리튬 이온 화재 위험의 이면에 있는 화학 물질은 화재를 진압할 뿐만 아니라 배터리 온도를 낮추는 기존 소방 솔루션과는 다른 에너지 저장 시스템의 화재 진압 설계로 이어집니다. 그렇지 않으면 세포의 발열 화학 반응이 계속 발생하여 재점화를 유발합니다.

소화재료를 선택할 때도 각별한 주의가 필요합니다. 불타는 배터리 케이스에 물을 직접 뿌리면 가연성 가스 혼합물이 생성될 수 있습니다. 그리고 배터리 케이스나 프레임이 강철로 만들어진 경우 물은 열 남용을 방지하지 못합니다. 일부 사례에서는 배터리 단자와 접촉한 물이나 기타 유형의 액체가 화재를 악화시킬 수도 있음을 보여줍니다. 예를 들어, 2021년 9월 Vistra Moss Landing 발전소 화재 사고에서 보고서에 따르면 발전소의 냉각 호스와 파이프 조인트가 파손되어 배터리 랙에 물이 튀고 궁극적으로 배터리가 단락되고 아크가 발생했습니다.

1.가연성 가스의 적시 배출

위의 모든 사례 보고서는 폭발의 주요 원인으로 가연성 가스 농도를 지적합니다. 따라서 이러한 위험을 줄이기 위해서는 현장 설계 및 레이아웃, 가스 모니터링 및 환기 시스템이 중요합니다. NFPA 855 표준에는 지속적인 가스 감지 시스템이 필요하다고 언급되어 있습니다. 특정 수준의 가연성 가스(예: LFL의 25%)가 감지되면 시스템이 배기 환기를 시작합니다. 또한 UL 9540A 테스트 표준에는 배기 가스를 수집하고 가스 LFL의 하한을 감지해야 하는 요구 사항도 언급되어 있습니다.

환기 외에도 폭발 완화 패널을 사용하는 것도 권장됩니다. NFPA 855에는 NFPA 68(폭연 환기에 의한 폭발 방지 표준) 및 NFPA 69(폭발 방지 시스템 표준)에 따라 ESS를 설치하고 유지 관리해야 한다고 명시되어 있습니다. 단, 시스템이 화재 및 폭발 테스트(UL 9540A 또는 동등)를 준수하는 경우에는 이 요구 사항이 면제될 수 있습니다. 그러나 테스트 조건은 실제 상황을 완전히 대표하지 않으므로 환기 및 폭발 방지 기능을 강화하는 것이 좋습니다.

2.보조시스템의 고장방지

부적절한 소프트웨어/펌웨어 프로그래밍 및 시운전/시동 전 절차도 Victorian 발전소 및 Vistra Moss Landing 발전소 화재 사고의 원인이 되었습니다. 빅토리아 발전소 화재에서는 모듈 중 하나에 의해 시작된 열 남용이 식별되거나 차단되지 않았으며 후속 화재도 중단되지 않았습니다. 이러한 상황이 발생한 이유는 당시에는 시운전이 필요하지 않았으며 원격 측정 시스템, 오류 모니터링 및 전기적 안전 장치를 포함하여 시스템을 수동으로 종료했기 때문입니다. 또한 SCADA(감시 제어 및 데이터 수집) 시스템도 장비 연결을 설정하는 데 24시간이 걸려 아직 작동하지 않았습니다.

따라서 모든 유휴 모듈에는 잠금 스위치를 통해 수동으로 종료하는 대신 활성 원격 측정, 오류 모니터링 및 전기 안전 장치와 같은 장치를 포함하는 것이 좋습니다. 모든 전기 안전 보호 장치는 활성 모드로 유지되어야 합니다. 또한 다양한 비상 상황을 식별하고 대응하기 위해 추가적인 경보 시스템이 추가되어야 합니다.

Vistra Moss Landing 발전소 1단계와 2단계에서도 소프트웨어 프로그래밍 오류가 발견되었습니다. 시동 임계값을 초과하지 않아 배터리 방열판이 활성화되었습니다. 동시에, 배터리 상부층의 누수로 인한 수도관 커넥터 고장으로 인해 배터리 모듈에 물이 공급되어 단락이 발생합니다. 이 두 가지 예는 시작 절차 전에 소프트웨어/펌웨어 프로그래밍을 확인하고 디버깅하는 것이 얼마나 중요한지 보여줍니다.

요약

에너지 저장 스테이션의 여러 화재 사고 분석을 통해 배터리 사고를 예방할 수 있는 소프트웨어 프로그래밍 점검을 포함하여 환기 및 폭발 제어, 적절한 설치 및 시운전 절차에 높은 우선순위를 두어야 합니다. 또한, 유독가스 및 물질 발생에 대처하기 위한 종합적인 비상대응 계획을 수립해야 합니다.