ESS는 전력망 안정화와 재생에너지 활용을 위해 다양한 지역에 설치되고 있습니다. 이에 ESS가 실제 설치 환경에서도 안전하게 운영될 수 있는지 검증하는 과정은 더욱 중요해지고 있는데요.
특히 아파트나 주거지 인근처럼 생활권과 가까운 곳에 ESS가 설치될 경우, 시스템 자체의 안전성뿐 아니라 주변 환경에 미치는 영향까지 함께 고려해야 합니다. ESS는 여러 유닛(Unit)이 일정 간격을 두고 함께 설치되는 경우가 많기 때문에, 하나의 유닛에서 이상 상황이 발생했을 때 그 영향이 인접 유닛으로 확산되지 않는지 확인하는 것이 핵심입니다.
이에 LG에너지솔루션은 실제 설치 환경을 반영한 조건에서 수행되는 LSFT(Large-Scale Fire Test, 대규모 화재 시험)를 통해 ESS의 안전성을 데이터 기반으로 검증하고 있습니다.
ESS 안전성 검증은 어떻게 이뤄질까요?
ESS 안전성은 배터리 셀(Cell)이나 모듈(Module), 랙(Rack)처럼 각 단위의 성능만으로 판단하기 어렵습니다. 실제 현장에서는 외함 안에 여러 구성 단위가 결합돼 하나의 시스템으로 운영되고, 여러 ESS 유닛이 일정 간격을 두고 함께 설치되기 때문입니다.
따라서 ESS 안전성을 검토할 때는 제품 내부의 구조와 성능은 물론, 외함과 주변 설비와의 거리까지 함께 살펴야 합니다. 설치 장소에 따라 아파트와 같은 주거지나 생활 시설 인근에 배치될 수도 있는 만큼, 한 유닛에서 시작된 열적 영향이 주변 유닛이나 외부 공간으로 확산되지 않는지 확인하는 과정이 중요합니다.
실제 설치 환경에서의 ESS 안전성을 검증하기 위해 국제적으로 통용되는 기준과 시험 방법이 마련되어 있습니다. 미국의 NFPA(National Fire Protection Association, 미국화재예방협회) 855는 고정형 ESS 설치와 관련한 안전 기준으로 활용되며, UL(Underwriters Laboratories, 글로벌 안전과학 기업) 9540A는 ESS 안전성 검증을 위한 시험 표준(Standards)1으로 사용됩니다.
UL 9540A와 LSFT
UL 9540A는 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System, BESS)의 화재 안전성과 열폭주(Thermal Runaway) 확산 가능성을 확인하기 위해, 시험 절차와 평가 방법을 정한 표준입니다. 이 가운데 UL 9540A에 따라 실제 규모에서 수행되는 설치 단위 시험을 LSFT(Large-Scale Fire Test, 대규모 화재 시험)라고 합니다.
UL 9540A는 ESS의 화재 안전성을 셀, 모듈(배터리 팩), 설치 단위 등 단계별로 평가합니다.
- 셀 단위: 배터리 셀 하나에서 열폭주가 발생했을 때 온도 변화와 열 발생 양상을 확인합니다. 또한 어떤 가스가 발생하는지, 그 가스가 불이 붙기 쉬운 성질을 갖는지도 살펴봅니다.
- 모듈(배터리 팩) 단위: 셀에서 발생한 열폭주가 모듈 내에서 확산되는 경향을 확인합니다. 이때 열과 가스가 얼마나 발생하는지, 점화나 급격한 연소로 이어질 가능성은 없는지도 함께 평가합니다.
- 설치 단위(LSFT): ESS 시스템을 설치 단위에서 평가하는 대규모 화재 시험입니다. 화재 보호 시스템의 효과를 확인하고, 한 BESS에서 발생한 화재가 다른 BESS로 확산될 가능성, 유닛 간 이격 거리, 재발화 위험성 등을 평가하는 데 활용됩니다.
일반적으로 세 단계로 평가가 진행되지만, 주거용 ESS나 열폭주 확산 방지 시스템을 갖춘 상업·산업용 ESS의 경우에는 유닛 단위 시험이 별도로 요구되기도 합니다.
LSFT는 왜 ESS 안전성 검증에 중요할까요?
LSFT가 중요한 이유는 ESS의 안전성을 실제 설치 조건에서 데이터로 확인할 수 있기 때문입니다. LSFT에서 확보한 열방출률, 온도 변화, 확산 양상 등은 외함 간 이격 거리와 안전 설계가 적절한지 검토하는 근거가 되죠. 또한 화재 보호 시스템의 역할을 확인하고, 소방 및 비상 대응 계획을 세우는 데에도 도움이 됩니다. 나아가 LSFT에서 확보한 시험 결과는 ESS 설치 안전성을 객관적으로 설명하는 자료가 되며, 관할 기관이 설치 조건을 검토할 때 참고할 수 있는 근거로도 활용될 수 있습니다.
그렇다면 LSFT는 구체적으로 무엇을 확인할까요? 핵심은 한 유닛에서 시작된 열이 주변으로 확산되지 않는지를 검증하는 것입니다.
- 발화 기점 유닛의 열방출률(Heat Release Rate, HRR) 변화와 최댓값
- 인접 ESS 내부 모듈의 온도
- 발화 기점 유닛과 인접 유닛 사이 연결부의 온도
- 시험 중 주요 관찰 사항의 시간대별 기록
즉 LSFT는 한 유닛에서 발생한 열적 영향이 주변으로 이어지는지를 실제 규모에서 확인하는 시험입니다.
LG에너지솔루션이 ESS 안전성 검증을 하는 방법
LG에너지솔루션은 안전을 최우선 가치로 두고 ESS제품을 개발하고 있습니다. 국제 기준에 맞춰 셀부터 시스템 단위까지 안전성을 지속적으로 검증해왔는데요. 이번에 진행한 LSFT도 안전성 검증의 연장선에서 실제 설치 환경에서 발생할 수 있는 영향을 확인하기 위해 진행됐습니다.
LG에너지솔루션은 ESS 솔루션 ‘JF2 DC LINK’를 대상으로 LSFT를 수행했습니다. 시험 과정은 외함 배치 및 준비 → 점화 시스템 설치 → 모니터링 장비 설치 → 점화 및 시험 진행 → 데이터 수집 → 외관·내부 검사 → 결과 확인 순으로 진행되었습니다.
Step 1) 외함 배치 및 준비
시험 대상 외함은 시험 전 24시간 이내 충전 상태(State of Charge, SoC)를 100%로 맞췄으며, 외함 문을 완전히 개방한 상태로 배치해 시험을 진행했습니다.
중앙에는 발화 기점(Enclosure of Origin)을 두고, 주변에는 4개의 타깃 외함을 배치해 총 5개의 ESS 외함으로 시험 구성을 마련했습니다. 외함 간 이격 거리는 약 1.52m, 0.91m, 3.05m 등으로 설정해, 한 유닛에서 발생한 열적 영향이 인접 유닛에 미치는 영향을 확인했습니다.
Step 2) 점화 시스템 설치
발화 기점 내부에는 화재 조건을 유도하기 위한 점화 시스템을 설치했습니다. 외함 내부의 여러 충전된 팩(Live Pack) 중 하나를 발화 유도 팩(Initiating Pack)으로 지정하고, 시험 안정성을 위해 예비 발화 유도 팩(Initiating Pack Back up)도 함께 설정했습니다.
이후 발화 유도 팩에 열을 가하기 위해 가열 패드(Heat Pad)와 PID(Proportional Integral Derivative) 컨트롤러를 연결하고, 외함 내부의 점화를 위한 가스 토치(Torch)를 세팅했습니다.
Step 3) 모니터링 장비 설치
시험 중 데이터를 수집하기 위해 온도 측정용 센서, 열유속계, 적외선(IR) 카메라, 일반 카메라 등을 설치했습니다. 특히 열유속계는 발화 기점 외함 주변의 주요 지점에 배치해, 화재 진행 과정에서 주변 외함으로 전달되는 열적 영향을 정량적으로 측정했습니다.
Step 4) 점화 및 시험 진행
점화 시스템을 작동시켜 발화 기점 외함에서 발생하는 열 확산 양상을 관찰하고 시험을 진행했습니다.
Step 5) 데이터 수집
시험 중에는 열방출률, 열유속 등 주요 데이터를 지속적으로 수집하고, 열 확산 양상을 함께 관찰했습니다. 이때 불을 곧바로 끄지 않고 ESS 비상 대응 기준에 따라 발화 유닛이 완전히 연소될 때까지 진행했는데요. 발화 유닛이 완전히 연소되는 동안 주변 타깃 외함으로 화재가 번지는지 모니터링하고, 최종적으로 화재가 어떻게 잦아드는지를 확인했습니다.
Step 6) 외관·내부 검사
시험이 끝난 뒤 안전이 확보되면, 시험 대상 제품을 외함 전체부터 내부 셀, 팩, 랙, 컨테이너 단위까지 단계적으로 상태를 확인했습니다. 이를 통해 화재 시험 이후 제품의 손상 여부와 배터리 시스템의 전기적 상태를 확인했습니다.
LG에너지솔루션 LSFT 결과는 어떻게 나타났나요?
LG에너지솔루션의 LSFT 결과, 발화 기점에서 발생한 열적 영향이 주변 타깃 유닛으로 확산되지 않았음을 열방출률과 전압 유지 결과를 통해 확인했습니다.
1) 열방출률: 열방출률은 단위 시간당 화재가 방출하는 열의 양을 나타내는 지표입니다. 이 수치를 보면 화재가 얼마나 빠르게 커지는지, 주변 설비에 어느 정도의 영향을 주는지 파악할 수 있는데요. 열방출률이 급격히 상승할수록 화재가 빠르게 확대될 가능성이 커집니다. 때문에 소방 대응과 비상 대응 계획 수립에 주요한 데이터가 됩니다.
실제 시험에서 발화 유닛의 열방출률은 점화 후 약 1시간 44분 지점에서 최고치에 도달했습니다. 초기에는 낮은 수준을 유지하다가 화재가 커지면서 급격히 상승해 최고점에 도달했고, 이후 오르내리며 서서히 낮아지는 양상을 보였습니다.
2) 전압 유지 결과: 배터리에서 전압은 성능과 안전성을 확인하는 중요한 지표입니다. 배터리 외부에 일정 수준의 열이 가해지게 되면, 전해질의 분해나, 전극 계면의 구조 변화가 발생할 수 있고, 이는 배터리의 전압의 변화를 야기할 수 있습니다. 따라서, 화재 시험 이후 주변 유닛의 전압이 유지됐는지 확인하는 것은 열적 영향이 주변 배터리의 전기적 상태와 성능에 영향을 주었는지 판단하는 근거가 됩니다.
*배터리 용어사전 – 전위창(Potential Window) 보러가기
시험 전 평균 전압은 101.7V였는데요. 주변 유닛 중 2번 유닛은 100.2~100.8V 사이를 유지했고 3번 유닛은 100~100.7V였습니다. 4번 유닛은 100.1~100.8V, 5번 유닛은 약 100.0~100.3V 범위로 확인됐습니다. 이처럼 시험 중에도 주변 유닛의 전압이 안정적으로 유지됐습니다.
이번 LG에너지솔루션의 LSFT는 UL 9540A 제6판에 따라 UL의 입회 하에 시험되었으며, UL 9540, UL 9540A, IFC, NFPA 855 등 ESS 화재 안전 관련 기준과 표준을 바탕으로 검증됐습니다. 시험 과정에는 한국건설생활환경시험연구원(KCL)이 참여했고, 외함 간 이격 거리와 관련해서는 제3자 화재 전문기관인 FRA(Fire & Risk Alliance)가 해석 보고서를 작성하고 전문 엔지니어 날인을 완료했습니다.
즉, 이번 검증은 시험 데이터뿐 아니라 국제 기준과 외부 전문기관의 검토를 바탕으로 이뤄졌다는 점에서 의미가 있습니다. 이를 통해 JF2 DC LINK의 실제 설치 조건에서의 안전성을 보다 객관적으로 설명할 수 있는 근거를 마련했으며, 향후 설치 설계와 이격 거리 검토, 관할 기관의 승인 검토에도 활용될 수 있습니다.
핵심 Q&A
Q. LSFT란 무엇인가요?
LSFT(Large-Scale Fire Test)는 실제 설치 환경과 유사한 조건에서 ESS 화재 영향을 검증하는 대규모 화재 시험입니다.
Q. UL 9540A란 무엇인가요?
UL 9540A는 배터리 에너지저장장치에서 열폭주와 화재 전파 위험을 평가하는 시험 방법 표준입니다.
Q. UL 9540A와 LSFT는 어떤 관계인가요?
UL 9540A는 셀, 모듈, 설치 단위로 ESS 안전성을 평가하며, LSFT는 이 중 실제 설치 규모에서 수행되는 설치 단위 시험에 해당합니다.
Q. ESS 안전성 검증에서 LSFT가 중요한 이유는 무엇인가요?
LSFT는 한 유닛에서 발생한 화재와 열적 영향이 인접 유닛이나 주변 설비로 확산되는지 실제 규모에서 확인할 수 있기 때문에 중요합니다.
Q. LG에너지솔루션 LSFT 결과는 어떻게 나타났나요?
LG에너지솔루션은 JF2 DC LINK LSFT를 통해 발화 유닛의 열방출률과 주변 유닛의 전압 유지 결과를 확인했으며, 발화 기점 외함의 화재 영향이 주변 유닛으로 확산되지 않았음을 검증했습니다.
안전은 LG에너지솔루션이 가장 중요하게 여기는 핵심 가치입니다. LG에너지솔루션은 LSFT를 통해 한 유닛에서 발생한 열적 영향이 주변 유닛으로 확산되는지 실제 설치 조건에서 확인하고 있습니다. 여기서 그치지 않고 시스템, 소프트웨어, 서비스 전반에 걸쳐 ESS의 안전성을 확보하기 위한 검증을 이어가고 있는데요. 앞으로도 LG에너지솔루션은 데이터 기반 검증과 실제 조건 시험을 바탕으로, ESS가 생활권 가까운 곳을 비롯한 다양한 설치 환경에서도 안정적으로 운영될 수 있도록 안전성 검증 체계를 고도화하겠습니다!
- 표준(Standards): 장비 설계자, 제조업체 운영자 등을 위한 기술 정의 및 지침. ↩︎
