ESS 대세지만 '열폭주' 숙제…고안전배터리·냉각 답 될까
에너지저장장치(ESS) 시장이 급성장하는 가운데 최대 리스크로 꼽히는 화재(열폭주) 문제를 어떻게 줄일지가 업계의 핵심 과제로 떠오르고 있다. 전문가들은 화재 위험을 낮추는 고안전 배터리와 정밀한 열관리(냉각) 설계가 해법이 될 수 있다고 본다. 이성은 전력연구원 융복합연구소 선임연구원은 28일 한국미래기술교육연구원이 서울 여의도 FKI타워에서 개최한 'ESS 산업 대전망 세미나'에서 “기후위기로 재생에너지 중심 전원구성이 확대되면서 ESS가 필수 인프라로 자리 잡고 있다”며 “계통의 안정성과 유연성을 확보하기 위한 역할이 커지고 있다”고 말했다. 이 선임연구원은 “2030년까지(2022년 대비) 누적 보급이 10배 이상 늘 것으로 예상된다”며 “리튬인산철(LFP) 기반 리튬배터리 중심 흐름이 이어지는 가운데 나트륨 전지 등 대안 기술도 등장하고 있다”고 분석했다. 나트륨 전지는 비용이 낮지만 리튬 전지 대비 에너지 밀도가 낮다는 한계가 있다. 그는 화재 가능성이 상대적으로 낮은 수계 배터리의 잠재력도 언급했다. 이 선임연구원은 “음극을 아연으로 쓰는 수계 배터리는 리튬 배터리의 대체재가 될 가능성이 있다”며 “도심 등 화재 리스크를 원천적으로 낮춰야 하는 환경에서는 수계 아연 배터리의 시장성이 있을 수 있다”고 전망했다. 이어 “전력연구원도 10년 전부터 관련 기술을 개발해왔고, 내년부터는 변전소 실증을 거쳐 전력망용 적용을 단계적으로 추진할 계획”이라고 덧붙였다. 한전은 잇따른 ESS 화재 이후 열관리 고도화에 힘을 쏟고 있다. 이 선임연구원은 “2021년 화재 이슈 이후 한전은 신규 ESS에 지능형 배터리 열화관리 시스템(BiMS) 설치를 의무화했다”며 “셀 단위 데이터를 기반으로 자체 알고리즘을 적용해 실시간 모니터링을 수행하고, 데이터 기반 진단으로 열화 셀 위치를 검출하고 있다”고 설명했다. 그는 “제조사 배터리관리시스템(BMS)은 2MW 단위로 설치돼 모니터링 시 개별 확인이 번거롭지만, 전력연구원 BiMS는 통합시스템을 구현해 대용량 ESS 모니터링이 가능하다”며 “열화도가 높은 배터리 검출과 수명 진단을 통해 화재 예방은 물론 운영비 절감도 기대할 수 있다”고 말했다. 고안전 배터리와 함께 열폭주 확산을 억제하는 냉각 기술에 대한 관심도 커지고 있다. 냉각 방식은 크게 공랭·수랭·액침 설계로 구분된다. 문강석 LG전자 생산기술원 책임은 “배터리 화재는 내부에서 발생하는 메커니즘이기 때문에 냉각을 통해 내부 온도를 임계 온도 이하로 낮추는 적극적 솔루션이 필요하다”며 “화재 사고 원인 중 전기적 요인이 약 30%로, 과충전 상태가 지속될 때 화재로 이어지는 사례가 많다”고 말했다. 그는 “환경적 요인이 약 25%, 제조 결함이 20%, 냉각팬 고장 등이 10% 수준”이라며 “ESS 화재를 줄이려면 정밀한 냉각 시스템 설계가 필수”라고 강조했다. 문 책임은 현장에서 공랭이 많이 적용되지만, 시스템 부피가 크고 열전달 효율이 낮으며 온도 균일성이 수랭 대비 떨어진다고 지적했다. 그는 “에너지 밀도가 올라갈수록 셀이 조밀하게 적층화되기 때문에 셀 사이로 공기를 흘려야 하는 공랭 방식엔 한계가 있다”며 “전기차 배터리는 수랭 적용이 일반적이지만, ESS는 비용과 공간 제약을 함께 고려해야 해 방식 선택이 갈린다”고 말했다. 이어 “성공적인 열관리 시스템은 단순히 냉각 용량을 늘리는 데서 끝나선 안 된다”며 “공랭이냐 수랭이냐의 선택을 넘어 설계 최적화, 소재 혁신, 지능형 제어, 엄격한 운영 절차가 함께 갖춰져야 화재를 사전에 예방할 수 있다”고 덧붙였다.
