리튬 이온 에너지저장장치(Electric Storage System) 설치 및 유지보수에 관한 기술지침(KOSHA GUIDE E-185-2021) -1장

리튬 이온 에너지저장장치(Electric Storage System) 설치 및 유지보수에 관한 기술지침 - 1장

 

1. 목적
이 지침은 산업안전보건기준에 관한 규칙 제244조 방화조치에 따라 화학 공장 등 의 산업시설 내에서 에너지저장장치가 있는 시설의 설치와 설치 후 에너지저장시 설에서 발생 가능한 화재 위험성을 제거하기 위해 고압 전기 자체 위험성 외 배터 리 화재 사고 예방 및 해당 설비의 피해 최소화와 인접 설비에 영향을 주지 않기 위한 설계 및 유지보수에 대한 기술지침을 제시하는데 그 목적이 있다.
2. 적용 범위
이 지침은 배터리를 기반으로 하는 저장 시스템 (Battery energy storage system, BESS)에 관한 것으로 이하 ‘에너지 저장장치’ 혹은 ‘ESS’는 모두 BESS를 의미하며, 리튬 이온을 사용하는 에너지 저장장치(Energy storage system, ESS)의 설계, 운 전, 방호, 검사, 설비보존 등에 적용한다. 에너지 저장장치는 옥외에 단독, 독립 건축 물 또는 기존 건축물의 부속실에 설치할 수 있다. 에너지저장장치는 배터리, 배터리 충 전시설, 배터리 관리시스템, 온도 조절 장치와 관련 부속설비를 모두 포함한다.
이 지침은 다음과 같은 전기저장시설에는 적용하지 않는다. 또한, 비리튬 이온 관련 배터리, 배터리 충전시설, 배터리 관리시스템, 온도 조절장치와 관련 부속설비도 포 함하지 않는다.
(1) 리튬 이온 배터리로 구성되었지만, 용량은 20 kWh, 72 MJ 미만인 시설
(2) 90일 이상 일정 지역에서 고정적으로 설치되지 않는 이동식 ESS
3. 용어의 정의
(1) 이 지침에서 사용되는 용어의 정의는 다음과 같다.
(가) “배터리 관리 시스템(Battery management system, BMS)”이라 함은 배터리 팩 의 기본 기능이 안전하게 운전되도록 관리하고, 유사시 안전하게 조치가 되도 록 확인하는 전체 관리 시스템을 말하며, 이하 BMS로 칭한다.
(나) “전력 변환 시스템 (Power conditioning system, PCS)”이라 함은 전력을 전달 받아 배터리에 저장하거나 전력 계통으로 송전하기 위해 전기의 특성(주파수, 전압, AC/DC)을 변환해주는 시스템을 말하며, 이하 PCS로 칭한다.
(다) “전력 관리 시스템(Energy management system, EMS)”이라 함은 에너지저장 장치를 효율적, 경제적으로 운영할 수 있도록 배터리와 PCS를 제어하는 시스템 을 말하며, 이하 EMS로 칭한다.
(라) “셀(Cell)”이라 함은 전기를 저장하는 가장 작은 전기화학적 구성요소를 말한 다.
(마) “모듈(Module)”이라 함은 직렬 또는 병렬 연결된 셀의 조합을 말하며, BMS 내 부의 셀을 제어하며, 시스템 BMS와 통신 시 더 작은 버전의 BMS를 사용할 수 도 있다.
(바) “랙(Rack)”이라 함은 다수 모듈들로 구성되어 전형적으로 인버터/충전기에 연 결된 높은 DC 전압을 생산하기 위해 조합한 것으로 유사 시 랙을 차단하기 위 한 전환 부품들(회로 차단기, 절연체 및 접촉기)을 포함한다.
(사) “에너지저장장치(Energy storage system, ESS)”라 함은 생산된 전기를 전력 계통에 저장했다가 전기가 가장 필요한 시기에 공급해 에너지 효율을 높이는 것으로 일반적으로 필요 시 전기 에너지를 저장 및 재사용할 수 있는 시스템을 말하며 이하 ESS로 칭한다. ESS는 에너지를 저장할 수 있는 배터리 랙, 배터 리를 안전하게 운영하는 BMS, 전력을 변환해주는 PCS, ESS를 효율적, 경제적 으로 운영하는 PCS를 제어하는 EMS로 구성되어 있다.
(아) “ESS 단독설비 또는 옥외형 에너지저장장치 설비 ”라 함은 50 m2 미만보다 작 은 ESS가 설치된 단독공간이다. 전형적으로 ISO 컨테이너 또는 유사한 크기로 만들어진 선(先) 조립된 구조물을 말한다.
(자) “열 폭주(Thermal runaway)”라 함은 전기화학 셀이 제어되지 않은 속도로 자 체 발열하여 온도가 상승하는 조건을 가지고 있으면서 셀의 발열이 자연 저감 되는 수준보다 더 높은 온도가 발생하면 잠재적으로 화재⋅폭발이 발생하는 현 상을 말한다.
(차) “제조사”라 함은 ESS 내 설치되는 배터리를 제조하는 자를 말한다.
(카) “조립사(Integrator)” 라 함은 제작된 배터리를 기본으로 ESS를 구성하는 모든 부품들을 조립하여 제공하는 자를 말한다.
(타) “운영사”라 함은 ESS를 구매, 대여 등으로 해당 사업장에 ESS를 설치하여 운 영하는 자를 말한다. 설비 설치 후 기술지원은 제조사 또는 조립사를 통해 공급 받는다.
(2) 기타 이 지침에서 사용하는 용어의 정의는 이 지침에 특별한 규정이 있는 경우를 제외하고는 산업안전보건법, 같은 법 시행령, 같은 법 시행규칙 및 산업안전보건기 준에 관한 규칙에서 정의하는 바에 따른다.
4. ESS 위험요인
4.1 발생 가능 위험성
(1) 열폭주 (Thermal runaway)
(가) 셀에서 내부 셀 결함, 기계적 손상의 원인인 기계적 결함(e.g. 진동 또는 팽창 수축 사이클), 외부 열원, 과전압 충전, 또는 BMS 또는 셀 제어장치의 고장 등 에 의한 내부 단락 등으로 인해 열폭주가 발생할 수 있다.
(나) 열폭주는 잠재적으로 배터리 셀 화재와 전해액에서 폭발을 일으키는 고온의 대 량 인화성 기체를 형성할 수 있다.
(다) 현재까지 ESS에 효과적인 방재 시스템은 정확히 확인된 것은 없으나, 해외문 헌에 따라 자동식 스프링클러 시스템이 인접 구조물, 장비, 그리고 건축물의 화 재 확산을 방지하는 최선의 설비로 추천되고 있다. 단, 국내 법규에 따른 적용 은 이 기술지침에서 포함하지 않는다.
(라) 열폭주 동안 셀은 셀 내부 또는 ESS가 위치한 실내에 인화성 기체를 배출한다. 일반적으로 ESS 제조사들은 이러한 기체를 대기 벤트 시스템을 통해 외부로 배출하도록 설계한다. 단, 이 벤트의 막힘 현상 등으로 기체 배출시 장애가 될 수 있으므로 상시 관리가 필요하다.
(마) 최초 열폭주에 의한 고온의 기체가 인접 셀에 영향을 주면서, 연속적으로 다른 셀에도 열폭주를 일으킬 수 있다. 따라서, 전기 회로 분리 등으로 신속하게 대 응하지 못하면 열폭주의 단계적 확산은 전체 ESS에 심각한 손상을 줄 수 있다.
(바) 단, 현재까지 ESS 화재에 대한 할로겐 화합물 소화설비 효과는 확인되지 않았 다. 할로겐 화합물 소화설비는 불활성 또는 화재에 대한 부촉매 효과가 있지만, 일정 시간 지속되어야 하므로 지속 시간은 일반적으로 10분 정도로 ESS 화재 또는 인접 모듈이나 랙에 확대되는 열 폭주를 제어하기에는 부족한 것으로 확 인되었다.
(사) 일반 전기 시스템과 동일하게, 전기 화재가 발생 가능하고, 국부적인 단락 등으 로 인한 과열 현상으로 열폭주를 일으킬 수 있다.
(아) 단, 리륨 배터리와 달리, 리튬 이온 배터리는 물과 반응하지 않는다.
(2) 독성 또는 인화성 기체 배출
(가) ESS는 충·방전 및 사용 시 해당 공간에 독성 또는 인화성 기체가 LC50이나 LEL 25 % 와 같은 허용 농도 이상으로 방출해서는 안된다.
(나) 만일 셀 등에서 허용 농도 이상의 독성 또는 인화성 기체가 배출될 가능성이 있 으면 제품 선정 단계에서 제조사 또는 제품을 변경해야 한다.
(다) 열폭주로 인한 화재 발생 시에는 셀의 전해액 등에서 독성이나 인화성 기체가 발생할 수 있으므로 이를 안전하게 배출할 수 있는 설비를 8.3 항에 따라 설치 해야 한다.
(3) 재발화
(가) 재발화는 최초 열폭주 등의 화재가 진압된 뒤에도 일정 시간 경과 후 다시 불꽃 을 내면서 연소가 시작되는 것이다.
(나) 배터리 랙은 화재 발생 후 초기 화염으로 인해 인접 모듈에서 전도열 또는 복사 열로 열적 손상을 받아 다시 열폭주가 시작되어 발화될 수 있다.
4.2 ESS 고장 예시
(1) 단일 셀, 모듈, 랙, 유닛에서 열폭주 발생
(2) ESS 관리 시스템 (BMS, PCS, EMS) 고장
(3) 강제환기 또는 배출 시스템 고장
(4) 연기 감지기, 화재 감지기, 소화 설비 또는 가스 감지기의 고장
(5) 연결 케이블 또는 전기 패널 내부 고온 현상에 의한 화재
5. ESS 사전 검토 시 고려 사항
5.1 ESS 제조사 및 조립사 선정
(1) 셀 종류, 셀 형태, 배터리 관리 시스템(BMS) 등 ESS 설계를 수행하는 제조사 및 조립사(Integrator)가 함께 안전 및 품질이 전반적으로 적정한지 검토해야 한다. 셀 /ESS는 ESS 최종 소유자의 충/방전 요구 속도에 따라 선정될 수 있다.
(2) 특히, 최초 설치된 기존 ESS에 추가 및 변경되는 시스템일 경우에는 기존 시스템 과 혼화성(Compatibility)이 있는 배터리, BMS/PCS/EMS 부품들 또는 이외 기존 시스템 요구에 적정한 대체품의 확인을 사업장 변경관리 절차에 따라 수행해야 한다.
(3) 재활용품이나 사용된 ESS 부품들은 셀과 모듈을 포함하여 사용하지 않는 것이 원 칙이지만, 발생 가능한 위험성을 제어하는 추가 안전조치를 취하거나, ESS 화재 등으로 확산되는 위험성이 낮은 것으로 확인된 경우에는 검증된 재활용품을 한정 적으로 사용할 수 있다.
5.2 ESS 설계 시 고려사항
(1) ESS가 설치되는 공간 또는 지역의 배치
(2) ESS 설비의 불연성 재질 사용
(3) ESS 수량 및 종류
(4) ESS 제조사, 조립사의 제품 명세서, 화재 이력, 기타 특이사항
(5) ESS 관리 시스템과 운전 관련 설명서
(6) ESS 부착 필요한 표지의 위치 및 내용
(7) 방재 설비, 연기 및 화재 감지기, 가스감지기, 온도 관리 시스템, 환기/배출 시설, 폭연 방출구 시스템에 대한 상세 내용
(8) 내진 설계 반영
(9) 하나의 ESS를 소화용(비상용)과 상용으로 겸하여 사용은 제한(즉, 비상용 또는 소 화용은 상용과 구분하여 설치)
(10) 전기 충/방전 시스템의 국내 법규 준수 사항
6. ESS 설치 형태 및 이격거리
6.1 ESS 형태에 따른 이격거리
이격거리는 FMDS0533 및 산업안전보건기준에관한규칙 [별표8]을 준용하여 적용 한다.
(1) 외부 단독설비와 중요 건축물과 설비는 <그림 1>의 위치 1에 따라 이격한다.
(2) ESS만 있는 단독 건물과 관련 지원 장비들은 <그림 1>의 위치 2에 따라 이격한 다.
(3) 전용 외부 부속실은 방재 설비 운용과 소화활동이 가능하도록 <그림 1>의 위치 3 에 따른다. ESS 화재 특성상 장기 방재 활동 가능성 및 영향이 가능한바 소화활동 시 충분한 공간이 확보되어야 한다.
(4) 전용실로 건물의 코너에 위치한 부속실은 방재 설비 운용과 소화활동이 가능하도 록 <그림 1>의 위치 4에 따른다.
(5) 전용 내부 부속실은 방재 설비 운영이 가능하도록, <그림 1>의 위치 5에 따른다.
(6) 랙 내부 등 각 ESS 내부 이격거리는 원활한 소화 활동이 가능하도록 설정해야 한 다.
(7) 단, 해당 이격거리를 적용하지 못할 경우에는 화재 위험성 및 소화활동 적정성에 대해 위험성 평가 후 8항 피해 저감시설과 불연재 등의 추가 사용으로 대체할 수 있다.

6.2 ESS 단독 설비
(1) 폭발위험지역에 위치한 경우에는 KOSHA Guide D-98(변전실 등의 양압유지에 관한 기술지침)에 따라 양압을 적용하거나, 비폭발위험 지역에 설치해야 하며, 폭 발위험지역에 설치되는 배선, 스위치 등은 KOSHA Guide E-172(폭발위험장소에 사용하는 전기설비 설계, 선정 및 설치에 관한 기술지침)에 따라 적용하여 설치해 야 한다.
(2) 불연재 벽을 가진 ESS 단독 설비는 인접 ESS 단독 설비와 최소 6 m 이격한다.
(3) 만일 ESS 단독 설비들의 이격 거리가 6 m 미만이라면, ESS 내부 또는 외부에 1 시간 이상 내화가 가능한 방화벽을 KOSHA Guide P-25(화재방지를 위한 방화벽 및 방화방벽 설치에 관한 기술지침)에 따라 설치한다.
(4) ESS 단독 설비의 벤트 또는 개구부들이 있다면, 주위의 설비와 건축물의 외부로 영향을 주지 않고 안전하게 배출될 수 있도록 설치한다. 화재 시에는 이러한 단독 설비의 벤트 또는 개방구들로부터 인화성 물질이 배출되면서 인접 설비 또는 건축 물에 영향을 줄 수 있다. 개구부들은 전기 케이블 덕트, 출입문 HVAC 설비 이동 로 등이 포함된다.
6.3 50 m2 이상 ESS 전용 건축물
50 m2 이상 면적을 가진 이동식 컨테이너 또는 단독설비는 전용 건축물로 적용한 다.
(1) 불연재 재질의 건축물로 건설한다.
(2) ESS 전용 건축물과 인접 건축물 또는 중요 공정이나 설비는 산업안전보건기준에 관한규칙 별표8 4번 항목에 따라 최소 20 m를 이격한다.
(3) 건축물 내 방재설비는 건축물 관련 국내 법규를 추가로 적용한다.
(4) 바닥 면적당 최소 0.3 m3/min/m2으로 강제환기를 적용한다.
(5) 단일 부품 고장 시에도 운전 한계 내에서 온도가 유지될 수 있도록 HVAC 시스템 을 설계한다.
(6) 만일 HVAC 시스템의 고장으로 온도 조절이 제어되지 않으면 항상 운전 인력이 상주하는 지역(조정실 등) 또는 담당자들에게 바로 알람이 인지될 수 있도록 설계 해야 한다.
6.4 건축물 내 ESS 부속실
(1) 단일 또는 맞대어 있도록 설치된 다중으로 구성된 랙은 불연재 화재 차단벽을 각 인접 랙 사이에 설치한다.
(2) 각 실내 벽, 천장, 바닥은 1시간 이상 내화 성능을 가지도록 한다.
(3) ESS 부속실 내부는 바닥면적 기준 최소 0.3 m3/min/m2로 강제환기가 이루어지도 록 한다.
(4) 건축물 내부 이격거리는 다음과 같이 적용한다.
(가) 인접한 복도면 사이는 불연재 재질 벽 설치와 함께 1.8 m 이상 이격한다.
(나) 인화성 재질로 벽등이 건축된 경우에는 2.7 m 이상 이격한다.
(다) 전력 케이블 트레이, 전기 패널 및 변압기는 고온 발생 및 화재 위험성이 발생 하지 않도록 충분히 이격거리를 유지해야 한다.
7. ESS 안전 설계
7.1 전력시스템 보호
(1) ESS에서 기존 전력 시스템에 전력을 공급할 때 기존 차단기에 대한 적정한 등급 및 기존 계통을 보호할 수 없는 보호 계전기에 대한 신뢰성을 유지하기 위해 전기 설비 설치시에는 KOSHA Guide E-85(전기설비 설치상의 안전에 관한 기술지침) 을 따라 적용한다.
(2) 기타 전기 단락 등으로 인한 전기 화재 발생 가능성은 제거해야 한다.
7.2 ESS 설치 및 연결
(1) 각 랙에는 설비 보수 또는 사고 조치를 위한 차단기를 설치해야 한다.
(2) ESS는 수동, 원거리, 근거리에서 차단기 제어가 가능하도록 차단 장비를 설치해야 한다. 원거리 차단은 ESS의 상태를 상시 모니터링할 수 있는 접근 가능한 장소에 설치해야 한다. 근거리 차단은 ESS 장비에 인접하여 설치해야 한다.
(3) ESS 단독설비, 건축물 또는 부속실에 고온 발생을 알려줄 수 있는 온도 모니터링 시스템을 설치해야 한다. 온도 모니터링 및 알람은 상시 모니터링할 수 있는 인력 이 상주하는 지역이나 ESS 담당 전문 인력에게 연결되어야 한다.
7.3 ESS랙
(1) DC 선택지락 계전기는 반드시 설치해야 한다. 그리고 비접지 시스템에서는 계전 기가 알람 기능을 갖추어야 한다. 알람은 상시 모니터링할 수 있는 인력이 상주하 는 지역이나, ESS 담당 전문인력에게 연결되는 시스템을 구축해야 한다.
(2) 과부하와 단락 고장에 대비한 과전류 보호 계전기를 설치한다.
(3) 과충·방전에 대비한 과전압·저전압 계전기를 설치한다.
7.4 BMS 안전 설계
(1) 고온 감지 및 정지(셀): 이 기능은 초과 한계 이상의 셀 온도를 감지할 때 모듈 또 는 배터리 랙의 전력을 차단하는 것이다. 일반적으로 랙 내에서 하드 와이어로 연 결된 모듈을 가지고 있다. 따라서, 차단되는 가장 작은 단위 유닛은 일반적으로 랙 이다. 설계에서 포함 시 모듈까지 차단하는 것도 가능하다.
(2) 열폭주 트립(셀): 셀의 열 폭주가 발생시 이를 감지하여 전체 시스템을 가동정지하 는 것이다. 열 폭주 시나리오는 ESS에서 열폭주가 감지될 때 첫 번째로 활성화되 는 것이다. 이는 BMS/PCS와 연계하여 운영할 때 가장 중요한 기능이다.
(3) 랙 스위치 페일 투 트립(Fail to trip)(랙): 만일 트립 커맨드(Trip command) 에 의 한 PCS 등의 트립이 실패할 경우 ESS를 차단하는 상위 차단기의 트립 커맨드가 가동될 수 있다.
(가) ‘관리자 모드’ 제어 시스템은 랙을 포함하여, 지원 시스템과 충/방전 현상을 제 어할 수 있어야 한다.
(나) ‘관리자 모드’에서 PCS 등이 요구된 신호를 가동 정지 신호로 적용하지 못하거 나 PCS 등과 관리자 모드 제어의 통신이 원활하지 않는다면 ESS는 가동 정지 되어야 한다.
7.5 온라인 모니터링(Online condition monitoring)
(1) 배터리 모듈과/또는 셀의 배터리실 온도와 같이 다음과 같은 매개변수들을 모니터 링해야 한다.
(가) 충/방전 전압과 전류
(나) 셀 온도
(다) 내부 저항
(라) 배터리 용량
(마) 충전 상태(State of charge, SOC)
(바) 배터리 수명 상태(State of health, SOH)
(사) 경고 또는 고장 로그
(2) 온라인 모니터링 시스템은 다음의 조건을 포함해야 한다.
(가) 데이터는 상시 작업자가 상주하는 조정실 등과 같은 지역 또는 ESS를 전용으 로 담당하는 직원들에게 전달되어야 한다.
(나) 비정상 조건이 감지될 때 알람을 상시 실시간으로 제공해야 한다.
(다) 모니터링된 매개변수들을 분석하고 배터리 상태를 요약하여 데이터를 생성해야 한다.
(라) 전압, 온도 그리고 전류 등으로 신뢰성있는 리튬 이온 배터리 운전을 유지하기 위한 중요 매개변수에 승인되지 않은 변경이 없도록 보안을 유지한다.
(마) 자체 진단 능력으로 상시 시스템의 건전성을 확보해야 한다.
7.6 전력 변환 장비(Power conversion system, PCS)
(1) AC 측에 과부하와 단락 발생 시 계통 보호를 위한 보호계전기를 설치한다.
(2) 과전압 현상인 “전압 스파이크” 예방을 위해 AC 측에 써지 어레스터(Surge arrestor)를 설치한다. 과전압 예방을 위한 추가적인 보완이 가능한 경우 필요 추 가한다.
(3) 변압기에 대한 보호 조치는 KOSHA Guide E-78(전기공급장소의 주변압기 화재 예방 등에 관한 기술지침), E-97(석유화학공장의 전기설비 설치에 관한 기술지침) 을 참조하여 실시해야 한다.
7.7 강제환기 및 가스감지기 운영
(1) 천장이나 인접 위치에 강제환기 시스템을 설치하고 바닥면적 기준 최소 0.3 m3/min/m2 이상으로 환기가 되도록 한다.
(2) 가스감지기는 연동하여 인화성 기체의 존재시 알람을 주고, ESS 가동정지를 하며 강제환기 시스템으로 실내 공기를 안전하게 배출할 수 있도록 설치한다.
(3) 강제환기 시스템은 상시 운영 또는 가스 감지기가 감지할 경우에 연동하여 가동할 수 있도록 설치하며, 이를 통해 ESS 내부에는 LEL 25 % 미만으로 실내 공기가 유지될 수 있도록 한다.

(4) 강제환기 시스템에 연동되는 가스감지기는 BMS에 있는 ESS의 랙 가동정지 인터 록에 연동된 가스감지기로 적용할 필요는 없다.
(5) 공기 유입구, 출입문 그리고 기타 개구부로부터 공기를 유입하여 송풍기, 팬과 외 부로 연결된 덕트 등을 통해 내부 공기를 외부로 배출하여 제거할 수 있도록 한다. (6) 덕트는 불연재로 제작한다.
(7) 배출된 기체의 재유입을 방지하기 위해 배출구로부터 원거리에 위치한 외부에서 오염되지 않은 공기가 유입이 되도록 유입구를 설치한다.
(8) 가스감지기는 인화성 기체가 덕트에서 감지될 때 내부 순환을 중지하고 전체 환기 로 외부에 내부 공기를 배출하고, 이외에는 내부 공기를 순환하여 실내 온도를 유 지할 수 있다.
(9) 가스감지기는 비상전원에 연결하여 최소 2시간 이상 유지될 수 있도록 한다.
(10) 환기시스템의 알람은 온라인 모니터링 시스템을 통해 운전원이 있는 조정실과 같 은 지역이나 ESS를 담당하는 직원에게 연결되어야 한다.