꿀벌의 비행

프로젝트 개요

❀기술개발 과제❀

국문 : 전기차 폐배터리 기반 ESS의 화재 대비 안정성 확보 -도서지역을 대상으로

영문 : Securing fire-preparation safety of ESS based on electric vehicle waste battery -A case study of the island areas where power supply is urgen

❀과제 팀명❀

꿀벌의 비행

❀개발기간❀

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

❀구성원 소개❀

서울시립대학교 환경공학부 오**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 박**

서울시립대학교 환경공학부 임**

서울시립대학교 환경공학부 황**

서론

❀개발 과제의 개요❀

✿개발 과제 요약✿

◇ KDB미래전략연구소 산업기술리서치센터에 따르면 전기차 폐배터리 배출량이 증가할 전망임.(배터리 수명 : 5~10년, 2029년 국내 폐배터리 예상 배출량 : 78,981개)

◇ 폐배터리를 최종처리하지 않고, 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)로 재사용할 경우 자원순환 제고 및 비용절감 등의 이점이 있음.

◇ 최근 폐배터리의 가장 작은 단위인 2차전지의 화재가 연달아 발생하면서 ESS의 안정성이 요구됨.

◇ 본 설계에서는 폐배터리 기반 ESS의 화재대비 안정성을 높이기 위한 모니터링 시스템 및 도서지역 적용 시 최적의 시나리오를 제시하고자 함.

✿개발 과제의 배경 및 효과✿

◇ 2011년 제주 가파도를 대상으로 한 ‘에너지 자립섬(신재생에너지 기반의 ESS 활용)’ 사업 착수를 시작으로 울릉도 등 6개 도서에 추가적으로 전력 개발 사업이 이루어졌다. 그러나 2019년에 들어서 비용 문제, 낮은 수익성, 부지 부족 등의 문제로 6개의 추가적인 사업이 모두 중단되었다.

◇ 2018년 한 해 동안 ESS 시설에서 대형화재가 15건 발생하였으며, 화재는 대부분 배터리, 배터리실에서 발생하였다. 이들 중 일부는 배터리와 전력변환 장치 사이의 스위치 기어박스 내에 보호장치인 서지 어레스터를 장착하지 않은 것으로 드러났다. 서지 어레스터는 고압의 전기가 유입될 때 설비를 보호하는 장치로, 보호 장비 없이 시공한 배터리에 전류가 과도하게 흐르면서 과열이 발생하고, 이후 불에 취약한 외부장치로부터 화재가 시작된 것이다. 이 외에도 작업자 부주의 혹은 배터리 손상에 의해 화재가 발생한 경우가 있었다. ESS 장치 설치 시 과전류, 또는 화재에 대한 대비책이 필요할 것으로 보인다.

◇ 본 설계에서는 다루고자 하는 배터리는 폐배터리이므로 ESS의 과전류, 과전압으로 인한 온도상승의 모니터링이 더욱 중요하다. 따라서 온도의 변화 및 셀의 변형률을 지속적으로 측정하고 운영자에게 알릴 수 있는 관리시스템 개발을 통해 보다 안전한 ESS의 사용 및 ESS 시장 활성화가 기대된다.

✿개발 과제의 목표✿

❀관련 기술의 현황❀

✿State of art✿

(1) ESS 화재 대비 설비

◇ 리튬이온 배터리는 화재와 폭발 위험성이 있는 것으로 알려져 있으며 그 원인으로는 단락현상, 과전류, 과전압과 같은 전기적인 쇼크 등이 있다. 따라서 리튬이온 배터리 내부에는 랙 간의 병렬운전 중 이상전압이나 과열 발생 시 제어하기 위한 시스템이 갖추어져 있다. 이 시스템에는 BMS, 직류 전자 접촉기, 퓨즈가 포함된다. 전력 계통에 발생하는 과도 전압을 서지(Surge)라고 하며, 이러한 이상전압을 막기 위해 서지보호기(Surge Protector Device, SPD)가 이용된다.

◇ 일차적으로 ESS의 화재를 대비하기 위해서는 내/외부적 요인으로 인한 분리막 파손을 조기에 감지해야 한다. 분리막 파손이 감지되면 외부 전류를 차단하는 식으로 화재를 예방할 수 있으나, 이에 실패하였을 경우 열 폭주로 이어지게 된다.

◇ 열 폭주 발생 시, 가스 또는 화염 검출 센서를 통해 조기에 급속냉각 조치하거나 소화약제를 투입하는 방법으로 대형 화재를 막을 수 있다.

(2) 국내의 기술 현황

◇ 삼성SDI는 자체 개발한 '특수소화시스템’을 전국 1,000여개의 ESS에 적용한 바 있다. 이 시스템은 일차적으로 셀의 온도 상승으로 인한 화재 발생을 막고, 그럼에도 화재가 발생할 경우 화재 확산을 방지하는 시스템이다.

◇ LG화학의 특수 소화시스템은 화재발생 초기 단계에 해당 배터리 셀이 위치한 모듈에 물을 직접 주수한다. 이를 통해 문제가 발생한 배터리 셀의 온도를 떨어뜨려 주변에 위치한 배터리 셀로 전달되는 열에너지를 낮추는 ‘냉각 방식’을 통해 화재 확산을 방지한다. 또한 정확한 화재원인을 파악하기 위해 Fireproof-HDD를 적용한다. Fireproof-HDD는 블랙박스와 같은 역할을 하며, 화재가 발생하더라도 운영기록이 소실되지 않도록 HDD(배터리 시스템 내 하드디스크)를 보호하는 장치다.

◇ LG화학은 절연성능에 이상이 있을 경우, 이를 감지하고 실시간으로 모니터링 하는 ‘지락감시장치’와 ‘E(Emergency)-Stop’을 도입했다. 지락감시장치가 이상을 감지하면 배터리 시스템 내 E-stop이 작동해 배터리 전원을 차단시켜 화재를 예방하게 된다.

(3) 해외의 기술 현황

◇ 위험 관리 전문 기업인 DNV-GL(Det Norske Veritas and GermanischerLloyd)과 미국의 화재예방협회인 NFPA(National Fire Protection Association)는 리튬이온 배터리에 화재가 발생하였을 시 이를 진압하기 위해서는 물이 가장 효과적이라는 연구결과를 발표한 바 있다.

✿기술 로드맵✿

✿특허조사✿

(1) 에너지저장장치의 화재 감시 장치

◇ 특허 등록번호 - 10-2016153 (2020.04.23.)

◇ 출원인 - 주식회사 현대 쏠라택

◇ 본 발명은 에너지저장장치의 화재 감시 장치에 관한 것으로서, 수직상으로 독립되게 구획된 수용공간을 갖는 단위 챔버가 수직상으로 다수개 어레이되어 있고, 단위 팸버 내에 배터리가 어레이된 배터리모듈이 내장된 함체가 수용된 컨테이너와, 컨테이너 내부의 온도를 제1센싱 광섬유를 통해 측정하는 온도 측정부와, 컨테이너 내부의 온도를 조절하는 공조기와, 커네이너 내부에 소화제를 공급할 수 있도록 된 소화제 공급부와, 온도 측정부에서 측정된 온도가 설정된 온도정보를 이용하여 함체 내부가 설정된 온도를 유지하도록 공조기를 제어하고, 온도 측정부에서 측정된 온도가 설정된 소화조건에 해당하면 소화제 공급부로부터 컨테이너 내부로 소화제가 공급되게 처리하는 제어유니트를 구비한다. 이러한 에너지저장장치의 화재감시 장치에 의하면, 함체 단위별로 소화처리가 가능하며, 배터리 셀별로 온도의 감지가 가능하고, 부분방전 발생여부도 검출할 수 있으면서 구조가 다분화되는 장점을 제공한다.

(2) 아크검출, 온도검출, 결로 검출 및 지락검출 기능을 구비한 ESS

◇ 특허 등록번호 - 10-18887992 (2018.08.07.)

◇ 출원인 - 주식회사 한국이알이시

◇ 본 실시 예는 아크 검출, 온도 검출, 결로 검출 및 지락 검출 기능을 구비한 ESS에 대한 것으로서, ESS에서 발생된 아크뿐만 아니라, 아크의 종류 및 아크 발생 위치를 검출하며, ESS 시스템의 온도 검출과 결로 검출이 가능하며, 결로 검출시 송풍기를 동작시켜 결로에 의한 피해를 사전에 방지하며, 지락 검출시 ESS 시스템의 동작을 차단할 수 있는 아크 검출, 온도 검출, 결로 검출 및 지락 검출 기능을 구비한 ESS에 관한 것이다. 이에, 본 실시 예는 화재검출요소인 과열온도와 아크를 감지하여 관리자에게 제공하여 이를 확인한 후, 즉시 해당 ESS을 점검할 경우에 정확한 위치를 제공하여 점검시간 단축 효과와 전기화재 예측을 통해 화재를 사전에 대비할 수 있도록 함으로써, ESS의 안전적 운용과 인명사고 및 재산 피해를 방지할 수 있게된다.

✿특허전략✿

◇ 본 설계의 특허전략은 에너지저장장치의 화재 감시 장치에 관한 것으로서, 기존의 신재생에너지 기반 ESS 사고의 주요 원인으로 추정되는 과전압과 과충전을 예방하고 폐배터리의 상태를 지속적으로 확인할 수 있는 광섬유 센서 설비를 추가로 설계하여 화재발생 가능성과 배터리 성능저하를 최소화하고자 한다. 상세하게는 광섬유를 이용하여 배터리모듈이 장착된 배터리셀의 과열여부를 감시하고, 과열발생 시 소화처리가 가능하게 구축된 에너지저장장치의 화재 감시장치를 개발하고자 한다.

◇ 본 설계에서는 화재발생 등의 문제점을 개선하기 위하여, 배터리셀마다 광섬유센서와 접촉하게하여 배터리 온도감지 및 화재방지를 목적으로 한다. 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 화재방지장치는 에너지저장장치를 구성하는 폐배터리모듈 내부의 배터리 셀, 각각의 배터리 셀의 측면부를 지나가도록 병렬로 배치되어 배터리 온도측정을 통해 배터리 상태 감시를 할 광섬유센서, 배터리 셀들을 포함하는 모듈케이스, 모듈케이스에 위치하여 다른 모듈 센서가 이어질 수 있도록 하는 광섬유 센서용 개구로 구성되어 있다. 

◇ 본 설계에 따른 에너지저장장치의 화재 감시 장치는 광섬유센서가 모듈 내부의 모든 폐배터리셀들과 접촉하므로 배터리 셀별로 온도의 감지가 가능하다. 따라서 재사용되는 폐배터리의 우려할 점으로 고려되는 배터리 열화에 의한 화재발생에 강점을 보일 것이라 판단된다. 따라서 기존의 온도감지방식들보다 빠르고 정확한 과열발생을 감지하여 화재발생을 막을 수 있다. 

❀관련 시장에 대한 분석❀

✿경쟁제품 조사 비교✿

✿마케팅 전략✿

❀개발과제의 기대효과❀

✿기술적 기대효과✿

◇ 기존에 설치되어 있는 신재생에너지 시스템과의 연계를 통해 기존 인프라의 수명 증가  

◇ 만일의 화재 발생시 즉각적인 정보 전달을 통한 인명 및 재산 피해 방지에 기여

◇ 도서지역의 전력수급량을 고려한 폐배터리 활용 ESS 적용의 설계 모델 개발

◇ 도서지역 전력 사용 데이터 분석을 통한 최적전력공급방식 분석 사례 확보

✿경제적 및 사회적 파급효과✿

◇ 화재 대책 방안 마련을 통한 폐배터리 기반 ESS 신뢰성 향상 및 전력공급의 안정성 개선

◇ ESS 신규시장 조성을 위한 정부지원 확대에 따라 중소기업의 참여 기회 증가

◇ 도서지역의 경제적, 효율적인 전력공급을 통한 전력 생산단가 및 운영비용 절감 기대

◇ 신재생에너지 보급 활성화를 통해 에너지 자립섬 구축 및 도서주민의 신규 소득원 창출 

◇ 디젤 발전 대체를 통한 이산화탄소 배출 저감에 기여

❀구성원 및 추진체계❀

❀개발 일정❀

설계

❀설계사양❀

✿제품 요구사항✿

✿QFD✿

❀개념설계안❀

내용

❀이론적 계산 및 시뮬레이션❀

내용

❀조립도❀

❀제어부 및 회로설계❀

◇ 본 설계에서는 가격적 측면에서 광섬유센서의 사용이 불가능하여 아두이노 우노 호환보드와 온도센서(DS18S20) 16개를 사용하여 각 셀의 온도를 측정하였다. 

❀소프트웨어 설계❀

◇ 온도센서(DS18S20)가 측정한 온도를 아두이노를 통해 컴퓨터 화면에서 볼 수 있도록 설계를 진행하였으며, 본 설계에서는 아두이노의 오픈소스를 기반으로 이를 변형하여 코드를 구성하였다. 또한 과열이 예상되는 일정 온도(40 ℃) 이상의 값이 측정되면 LED가 켜지고 부저가 울릴 수 있도록 설계하였다.

◇ 제작한 모형의 온도 측정은 배터리 충전 시 과열 감지를 검증하기 위해 일반 온도계와 값을 비교하였다. 충전 전후의 온도를 측정하였으며, 전원 연결 후 10분의 간격을 두고 측정을 시작하여 5분간 1초 간격으로 측정을 진행하였다.

결과 및 평가

❀완료작품 소개❀

✿프로토타입 사진✿

✿포스터✿

✿특허출원번호 통지서✿

❀완료 작품의 평가❀

❀향후평가❀

◇ 도서지역에 신재생에너지와 접목된 ESS를 설치한다면 전력공급의 안정성과 안전성이 가장 우선적으로 확보되어야 하기에 두가지 항목의 비중을 각각 35%, 15%로 높게 설정하였다. 설계모형에 따르면 ESS 내부의 셀단위까지 고려하여 온도를 모니터링하게 되므로 화재위험에 선제적으로 대응하고 전력상황에 대해서도 수시로 점검이 가능할 것으로 기대된다.  

◇ 지역적합성 측면에서도 여서도의 풍력에너지를 활용한다면 31.3%의 이용률을 얻을 수 있을 것으로 추정되며 이는 주변 도서지역의 평균이용률(27%)과 비교하였을 때 높은 수치로 나타났다. 일반적으로 도서지역의 경우 ESS를 설치하기 위한 부지 확보에 있어 제약조건이 따르게 되는데 본 설계에서는 여서도의 주민밀집지역 인근에 위치한 발전소 내부의 여유부지를 활용하여 ESS 설치를 위한 필요면적 이상의 공간을 확보할 수 있었다. 다만 본 설계에서 여서도의 전력생산에 관한 데이터는 확보할 수 있었으나 개별 주민들의 전력소비패턴이나 계절별, 시간별 전력사용량에 대한 정보를 얻는 데 한계가 있었다. 여서도 주민들의 전력사용에 관한 세부적인 자료가 주어진다면 전력수요에 상응하는 전력의 생산 및 공급이 가능할 것이라 판단된다.

◇ 본 설계모형에서는 아두이노를 활용하여 배터리 내부를 모니터링하고 충방전시의 온도변화를 측정해보았으나 광섬유센서가 아닌 접촉식 센서를 활용하였으므로 실제 모델과 어느 정도 차이가 있을 것으로 예상되며, 특히 광섬유의 경우 변형율의 측정이 가능하여 더욱 효과적일 것이라 판단된다. 설계 모형의 불확실성을 보완하기 위해서 광섬유센서를 활용하여 배터리 내부의 온도 뿐 아니라 습도와 배터리 내부의 상태를 세부적으로 점검할 수 있는 보완연구가 진행되어야 할 것이다. 추가적으로 위 설계에서는 폐배터리 선별 이후의 단계만을 고려하여 ESS를 제작하였지만 광섬유센서를 폐배터리의 수거와 선별단계에서부터 적용할 수 있을 것이다. 이를 통해 ESS의 원재료가 되는 폐배터리의 상태를 더욱 정밀하게 진단하고 선별하여 폐배터리의 품질과 기대수명까지 예측할 수 있을 것이다.

◇ 전기자동차 상용화에 따라 폐배터리의 배출량은 점점 증가할 것으로 예상되나 국내의 폐배터리의 활용사례는 전무한 상황이다. 폐배터리의 수거체계는 있으나 마땅한 활용방안이 없는 국내 시장환경 속에서 본설계는 폐배터리의 재사용을 도모하여 폐배터리의 활용방안를 제안하였고, 폐배터리의 경제적 가치에 대해 발굴하여 폐배터리가 가지고 있는 각종 문제점을 보완하는 아이디어를 제시했다고 평가하였다.

부록

✿참고문헌 및 참고사이트✿

◇ KDB미래전략연구소, 폐리튬 2차전지의 Re-Use와 Re-Cycling 산업 및 기술현황(2019) ◇ KDB미래전략연구소, 전기차 폐 배터리 활용 현황과 시사점(2019) ◇ 경기산업연구원, 전력취약지역 전기 최적 공급방안 연구(2017) ◇ 산업통상 자원부, 자가발전도서 신재생에너지 발전 확대방안 연구 (2020) ◇ 산업통상자원부, 전기자동차 폐배터리 활용방안 및 관련 법 제도 개선 연구(2019) ◇ 에너지경제연구원, 전기차사용 후 배터리 거래시장 구축을 위한 정책연구(2018) ◇ 정민지, HOMER를 이용한 도서지역 에너지시스템 최적화 설계와 경제성 분석 (2015) ◇ 조지혜 외, 이차전지의 폐자원흐름 분석 및 자원순환성 제고방안(2017) ◇ 한국산업기술대, 자가발전도서 특정사업자 대용량 전기공급 신청 합리적 대응방안 연구 (2012) ◇ 한국스마트그리드사업단, 도서지역 마이크로그리드 현황 및 정책 제언 (2016) ◇ 한국전력 공사, 에너지밸리 조성을 위한 에너지자립섬 구축방안 수립 연구(2018) ◇ 한국전력공사 전력연구원, 독립계통 도서의 분산전원 연계 기술기준 연구 (2018)