[세종=뉴스핌] 지난해 8월부터 발생한 5건의 에너지저장장치(ESS) 화재 가운데 4건이 '배터리 이상' 때문으로 드러났다. LG화학(051910)과 삼성SDI(006400)가 제조한 ESS가 각각 2건이며, 양사 모두 책임을 면하기 어렵게 됐다.

이번 조사는 배터리 자체 결함보다는 보호·운영·관리상의 문제가 있었다고 봤던 1차 조사와 대비되는 결과다. 특히 작년 조사 이후 전기적 보호장치를 비롯한 사고 예방과 관련기록 보존을 위한 조치 등을 시행한 결과 보다 정확한 사고원인을 파악할 수 있었던 것으로 2차 조사단은 판단했다.

ESS 화재사고 2차 조사단은 6일 이 같은 내용을 골자로 하는 'ESS 화재사고 조사결과'를 발표했다.

우선 LG화학이 만든 충남 예산, 경북 군위의 ESS와 삼성SDI가 만든 강원 평창, 경남 김해 ESS가 배터리 결함으로 조사 결과 밝혀졌다(표 참고).

[자료=ESS 화재 조사단] 2020.02.06 dream@newspim.com

작년 8월 30일 충남 예산에서 발생한 화재는 충전 후 휴지상태에서 배터리 발화가 시작됐다. 화재 당시 충전율은 93.5%로, 8월 22일 충전율을 70%에서 95%로 늘린지 8일 만에 화재가 났다.

조사단은 시스템운영기록(EMS) 등을 확인한 결과 충전 후 저전압, 이상고온 등이 발생한 배터리를 발화지점으로 지적했다. 현장조사시 수거한 발화 지점 배터리에서도 발화시 발생하는 용융(제품이 녹는 현상) 흔적이 확인됐다.

사고 사업장과 같은 시기에 설치돼 동일한 모델을 사용하고 있는 인근 ESS 배터리를 해체·분석한 결과에서도 공정상 불량으로 일부 양극 파편이 양극판에 붙어있는 것을 확인했다. 사용기간이 20개월인 배터리의 분리막에서 리튬 석출물도 발견됐다.

조사단은 외부 환경 영향으로 화재가 발생할 가능성은 낮은 것으로 판단했다. 조사단은 "외부 환경 영향에 의한 화재발생 가능성 조사에서 절연 저항값이 지속적으로 감소했지만, 기준치보다는 높았다"며 "전력변환장치(PCS)의 피해, 소손(불에 타서 부서짐) 현상이 없었고, 유사현장의 공통모드전압(CMV), 누설전류 조사에서도 전기적 요인에 의한 화재 발생 가능성은 낮은 것으로 판단된다"고 언급했다.

강원 평창에서 작년 9월 24일 발생한 화재 역시 ESS 충전 후 휴지상태에서 배터리에 불이 났다. 화재시 충전율은 각각 98%, 94.5%로 평창 화재는 예산 화재와 마찬가지로 충전율을 95%에서 100%로 올린지 14일 만에 화재가 발생했다. 저전압, 이상고온, 랙전압 불균형 등의 기록도 유사했다. 다만 평창 화재는 고장·경고 신호 경고가 나타났던 것으로 분석됐다.

특히 평창 ESS의 과거 운영기록 확인 결과, 가동 초기 제조사가 제시한 상한충전전압(4.15V)을 30mV 이상 초과하는 전압으로 운용한 이력이 있고, 400mV 이상 큰 폭의 전압편차가 발생했던 것으로 확인됐다. EMS상으로는 배터리 보호기능이 정상 작동하지 않거나 충전율의 급상승(89.8%→ 100%) 및 급하강(8.4%→ 0%)이 확인됐다.

2차 'ESS 화재사고 조사단' 조사 현황. [자료=산업통상자원부] = 2020.02.06 unsaid@newspim.com

조사단에 따르면 화재시 지락차단장치(누전차단기) 동작이 없어 외부환경의 영향은 낮은 것으로 판단된다. 전기요인으로 인한 화재 가능성도 낮다. 반면 유사현장에서는 양극판 내부손상과 분리막에서 구리성분이 검출됐다.

지난 9월 29일 경북 군위에서 발생한 화재는 충전 후 초기 방전 상황에서 화재가 일어났다. 화재 당시 충전율은 86.5%로 24일 충전율을 높이고(70% →95%) 5일 만에 불이 났다.

CCTV 영상을 보면 배터리에서 최초로 연기가 발생했고, 발화지점 배터리에서도 용융 흔적이 확인됐다. 군위 화재 배터리는 절연시트가 보강된 제품이어서 외부환경에 따른 화재 가능성이 낮다. 반면 동일한 사업장에서 유사하게 운영됐던 배터리를 해체·분석한 결과 음극활물질 돌기가 형성된 것을 확인할 수 있었다.

지난 10월 27일 경남 김해 화재 역시 충전 후 휴지 중 배터리에 불이 났다. 화재시 충전율은 92.2%로 저전압, 이상고온 고장신호가 확인됐고, CCTV 영상에서도 배터리에서 처음 연기가 발생했다. 사고 전 6개월 동안 화재가 발생한 배터리 랙 내부의 배터리 간 전압편차도 커진 추세를 확인했다. 유사 사업장에서는 공정상 불량으로 인한 양극판 접힘, 분리막에서 황반점·갈변현상이 발견됐다. 분리막의 양극·음극판 측에서는 구리, 나트륨 성분이 검출됐다.

작년 10월 21일 발생했던 경남 하동 화재는 배터리 발화가 확인된 4건의 화재와 달리 노출된 가압 충전부에 외부 이물질이 붙어 발생한 것으로 조사단은 추정하고 있다.

조사단은 지난 조사위와 달리 대부분의 화재가 배터리 이상으로 발생한 것으로 판단했다. 조사단 발표 이후 사고 예방과 관련기록 보존 조치를 시행한 결과 시스템·배터리 운영기록, 절연감시기록 등을 활용해 배터리 이상과 화재 발생 간의 관련성을 상당부분 규명할 수 있었기 때문이다.

조사단은 "높은 충전율에서 ESS를 운영하는 방식과 배터리 이상현상이 결합돼 화재가 발생한 것으로 추정된다"며 "충전율을 낮춰 운전하는 등 배터리 유지관리를 강화하는 것이 화재 예방에 기여할 것으로 판단한다"고 말했다.

아울러 조사단은 향후 ESS 시스템·배터리 운영기록 저장·보존 장치를 기존 ESS에도 설치해 사고 예방과 원인 규명에 힘을 쏟을 필요가 있다는 점도 덧붙였다.

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