ESS 안전기준의 중요성

최근 전 세계적으로 경제ㆍ산업의 최대ㆍ최고 화두는 단연 AI입니다. 그리고 그 AI의 밑바탕으로 초거대 AI 데이터센터와 추가 원전 건설을 검토하는 등 엄청난 변화가 다방면에서 빠르게 일어나고 있습니다. 

‘ESS(에너지저장장치=전기저장장치)’는 데이터센터를 비롯한 반도체 공장, 새로 지어질 자립 아파트의 에너지 원천으로서 향후 전기차 시장의 두세 배 시장규모(용량 상은 30~40배)로 반도체 분야와 비견할 큰 경제 규모를 가질 거라는 예상이 나옵니다.

이에 대한 국가적인 소방 측면의 화재안전기준ㆍ표준을 가져가는 건 경제를 넘어 산업경쟁력과 직결됩니다.

이미 국내에는 소방청이 제정한 ‘전기저장시설의 화재안전성능기준(NFPC 607/ 2024. 5. 17. 시행)과 국립소방연구원이 제정한 화재안전기술기준(NFTC 607/2024. 7. 1. 시행)’이 있습니다.

하지만 이번 내용과 비교해보면 지금까지 리튬이온 배터리로 발생한 수많은 화재사고나 청라 전기차 화재 등의 굵직한 사고로 드러난 위험성과 비교할 때 다소 미흡하다는 점을 확인할 수 있습니다.

물론 서구권과 비교하면 아시아권 전반이 그렇긴 합니다. 하지만 중국은 최근 전기차 화재안전기준(GB-38031-2025)1)을 대폭 강화해 ESS 안전기준도 강화될 게 확실해 보입니다. 반면 앞서가는 배터리산업의 기술력에 비해 우리나라 화재안전기준과 기술 개발이 상대적으로 뒤처져 있는 점이 우려됩니다.

또 강제성이 있는 법적인 세부기준 없이 실제로 허가를 내줘야 하는 지방에서는 대체로 연관성조차 부족해 보이는 전문위원들의 ‘대용량의 ESS가 필수인 초거대 데이터센터, 반도체 FAB 공장 등과 같은 특수한 건축물에 대한 성능위주설계 승인’도 언젠가는 문제가 될 수 있을 겁니다.

‘이미 세부기준이 미비한 상태에서 허가받은 수많은 시설에서 대형사고 발생 시 제대로 된 대응방법이 있긴 한지, 피해에 대한 책임은 오로지 소유자(관리자 등)의 것인지’ 등 많은 문제점이 산재해 있습니다.

최근 국제적 기준에 한참 뒤떨어지는 국내 정황을 제외하고 보면 전 세계적으로 여전히 ESS 화재ㆍ폭발 사고가 빈번하게 보고됩니다. 이에 따라 FM과 NFPA, UL 등을 중심으로 하는 서구권에서는 안전기준의 패러다임이 근본적으로 바뀌고 있습니다.

특히 올해 4월 개정된 FM Global의 ‘FMDS 5-33)’2)은 기존 화재대응 중심에서 더 나아가 ‘폭발을 사전에 차단하는 조기 조치(Early Intervention)’로 발전하고 있어 불모지에 가까운 한국에도 이 내용을 상세하게 소개하고자 합니다.

▲ [그림 1] FM Global에서 올해 4월 발표한 ‘FM Data Sheets 5-33 Lithium-Ion Battery Energy Storage Systems’ 표지

주요 개정 내용 들여다보기

이번 FM Global에서 발표한 ‘FMDS 5-33’의 대상은 20㎾h를 초과하는 ‘설치형 BESS(Stationary BESS)’입니다. 옥내형 랙ㆍ격리실과 옥외형 컨테이너형ㆍ전용 건물의 리튬이온 배터리 ESS(BESS, 이하 BESS로 사용)를 대상으로 합니다. 

특히 이번 개정판에서 가장 눈에 띄는 변화로는 먼저 FM 공식인증 오프가스 탐지기(Off-Gas Detector)의 반영을 들 수 있습니다. 즉 열폭주 조기 감지(Early Detection)에 대한 확실한 감지ㆍ탐지 수단을 가져야 함을 공식화했습니다. 

기존엔 열폭주로 인한 폭발의 예방에 있어 수동적인 방식으로 폭발성의 오프가스가 일정 압력에 도달해야만 배출시키는 것에 만족했다면 이젠 그러한 수동적 방식의 한계를 인정하고 본격적인 열폭주에 이르기 전에 조기감지를 하는 게 필수입니다. 

이는 BMS(배터리관리장치)와의 연동을 통해 전기적 차단 등 조기 개입하면서 폭발 위험을 크게 줄이고자 하는 겁니다. 또 야외 컨테이너형 BESS에 대한 화재 예방 권고사항을 명확화한 것으로 이에 대한 세부내용은 아래에서 추가로 다루고 있습니다.

특징적인 세부내용을 살펴보면,

1. 열폭주(Thermal Runaway)를 유발하는 주요 위험성(Hazard):

‘전기적 원인은 BMS를 통해 열폭주ㆍ확산을 차단하는 게 가능하지만 외부ㆍ주변 화재, 지진 등과 같은 열ㆍ물리적 원인은 BMS를 통해 차단이 불가능하다’는 점을 적시했습니다. 이를 통해 BMS를 아무리 고도화한다 해도 막을 수 없는 열폭주의 유발형태가 존재한다는 점은 완벽한 예방이 사실상 불가능하다는 걸 의미하기도 하기에 가장 어려운 분야 중 하나임을 말해줍니다.

2. LIB ESS의 선정ㆍ설치 위치 우선순위:

리튬이온 배터리 ESS를 설치하면서 우선 배터리 제조사와 하나의 결합체인 ESS로 조립한 업체의 설계 적합성을 구매자가 확인할 수 있어야 한다는 점을 명시했습니다. 결국 배터리 제조사는 별도인 경우가 많아 그 외의 요소인 BMS, 소방설비, 조기감지수단 등의 통합에 해당하는 설계에 있어 적절성 여부가 매우 중요한 요소임을 강조합니다.

그리고 중요사항으로 재생부품과 중고 셀ㆍ모듈 사용 금지를 권고합니다. 아직 확실한 배터리 성능진단이 되지 않는 상황에서 재활용ㆍ재제조의 위험성을 제시하는 것이기도 합니다.

또 설치 위치의 우선순위에 ‘(A) 옥외 격납구조물(Enclosure Outside, 단 주요 건물ㆍ설비에서 분리) > (B) 전용 건물(Dedicated Building) > (C) 전용 건물 외부 격리실(외벽의 연결된 격리실, Dedicated Exterior Cut-off Room, 단 소방력 접근 가능) > (D, E) 전용 건물 내부 격리실(외벽 2 또는 1 포함, Dedicated Interior Cut-off Room)’을 제시했습니다.

즉 간단히 옥외에 별도의 전용 건물을 설치하는 게 최우선이며 반면 실내에 격리실을 두는 게 가장 위험합니다.

▲ [그림 2] 리튬이온 배터리 ESS의 설치 위치 우선순위 표현도(숫자가 높을수록 위험)

3. 옥외 컨테이너형 ESS의 이격 거리 기준:

기본적으로 불연재료 이상의 재료로만 구성돼야 합니다. 출입문 등은 한쪽 면에만 있고 반대편에는 개방된 곳이 없다는 가정을 기반으로 HVACㆍ액체냉각의 경우 정상 동작해 셀 온도가 항상 유지되는 걸 전제로 합니다. 배터리 유형에 따른 이격 거리 기준으로는 

1) LFP 계열 배터리:

문, 폭발배출구(Deflagration Vent, NFPA 68/69에 의한 폭발 직전의 압력 도달 시 방파판처럼 파열하며 급속히 폭발성 가스를 배출하는 설비로 국내에는 미도입) 등이 있는 면은 인접 컨테이너와 통로 간격 1.5m(5ft) 이상 이격(인접 건축물과의 거리는 별도 기준이며 FM Data Sheet 1-20, Hazard Category 3 적용 시 대체로 약 15m의 이격 거리를 적용, 내화구조 건축물인 경우 절반인 7.5m 적용 가능, NMC 계열도 동일) 

 

2) NMC 계열 배터리:

컨테이너 벽체가 내화성능 1시간 미만이면 인접 컨테이너와 통로 간격 최소 4m 이격(13ft)하며 내화성능 1시간 이상이면 2.4m(8ft) 이격을 허용했습니다.

즉 외부에 별도 전용 건물 ESS끼리도 최소한의 이격 거리는 1.5~2.4m이며 주변 건물과는 15m 떨어져 있어야 합니다. 국내 현실에서는 그런 사례를 찾기가 불가능할 지경이지만 매우 기본적인 사항입니다.

추가사항으로 벽체에 관통부(전선관 등)가 있으면 추가 이격 또는 관통부 방화대책에 대한 인증이 필요합니다. 폭발배출구는 주변 설비ㆍ건물에 영향을 끼치지 않는 위치로 배치해야 합니다.

4. 전용 LIB ESS 건물(단 바닥면적 46.5㎡(=500ft²) 이상만 건물로 취급):

기본적으로 불연재료 이상의 구조입니다. 최소 배기 용량으로 바닥면적 당 최소 0.3㎥/min/㎡(1cfm/ft²)를 요구하는데 이는 폭발을 막기 위한 폭발성 기체의 배출과도 밀접하게 연관됩니다.

이 수치는 국내에 이미 기존 NFSC 607에 배출설비 기준으로 제시된 기준(바닥면적 1㎡당 시간당 18㎥ 이상 배출)과 동일합니다.

다만 추가적인 세부내용을 보면 배출 시 외부로 직접 배출해야만 한다는 점(대부분 장소에서 배출설비는 여러 실의 배출이 한곳으로 통합됨을 참고)과 비상시(FM 인증의 수소 탐지기(H2 Detector)를 통해 LEL 10% 초과 시)에는 배출량이 2.5cfm/ft²(바닥면적 당 시간당 45㎥ 이상)로 약 2.5배 증가해야 한다는 차이점이 존재합니다.

간략히 말하면 기존의 국내 배출설비 기준은 있는 것처럼 보이지만 없는 것이나 마찬가지고 폭발을 막기 위한 기준에서는 턱없이 부족하다는 걸 의미합니다.

추가로 HVAC에 대해선 배출설비, BMS 등과의 연동은 기본이고 단일 고장 상황에서도 배터리 작동 안전범위를 유지할 수 있도록 설계해야 합니다. 장애 시에는 24시간 실시간으로 알람을 전송하도록 규정합니다.

5. 실내 격리실 ESS:

국내에서는 대부분 기존 건물 지하층 실내 격리실에 설치한 경우가 많아 참조점이 될 수 있는 부분입니다. 여러 개의 랙(Rack)을 한 줄 또는 백투백(Back-to-Back)으로 배치한 경우 랙 사이에 불연재료 이상의 방화벽(Fire Barriers)을 설치하도록 합니다.

국내는 1시간으로 통일돼 있으나 실 전체(벽, 천장, 바닥)에 최소한 2시간 내화를 달성해야 합니다. 인증된 방화문(국내는 60+ 방화문으로 추정됨)과 모든 벽체 관통부(전선관 등)에 관한 방화조치도 해야 합니다.

배출설비에 대해선 전용 LIB ESS 건물과 동일하게 바닥면적 당 최소 0.3㎥/min/㎡를 적용(국내 NFSC 607 배출 기준과 동일하나 직접 외부로 배출, 비상시 배출량 증가 등 일부 세부규정 상이)하도록 하고 있습니다.

기존 건물 내부 격리실 ESS의 경우 이러한 세부 화재 안전 규정 없이 설치돼 있고 지속해서 문제가 발생할 거로 예상됩니다.

한번 열폭주 등 문제가 발생하면 화재를 제외하더라도 폭발성ㆍ유독성 가스 발생으로 인한 대규모 피해 발생이 우려됩니다. 이러한 규정들을 지금이라도 소급 적용해 안전조치해야 한다고 생각됩니다.

미국 뉴욕에서는 이미 수년 전에 리튬이온 배터리의 특수한 위험성을 고려해 화재 예방 설비 등을 소급 적용한 사례도 있는 거로 알려져 있습니다.

▲ [그림 3] 실내 ESS 설치 시 화재위험을 줄이기 위한 방화벽 설치 예시

6. (실내 전용 규정) 실내 ESS 랙 간의 이격 거리:

실내에 설치된 ESS에만 해당되는 규정으로 [그림 3]과 같이 실내의 랙 간의 이격 거리를 통해 열폭주의 확산을 방지하려는 부분입니다.

먼저 랙을 연결해 설치하기에 랙 전면부를 문과 벤트 또는 개방이 가능한 면의 ‘접근면(Accessible Face)’과 그 반대편에 해당하는 ‘비접근면(Non-Accessible Face)’으로 구분합니다. 접근면의 경우 불연성 재료 요소와 다른 연속해서 설치된 랙의 접근면과는 1.8m(6ft) 이격해야 합니다. 가연성(불연재료가 아닌 경우) 재료의 요소에 대해선 2.7m(9ft)를 이격해야 합니다.

또 연속된 랙(2줄)의 뒷면이 서로 마주 보고 수원이 부족하면 별도로 후면(비접근면)에 방화벽을 설치해 열폭주로 인한 화염 전파를 막을 수 있어야 합니다. 이를 설치하지 않으면 별도의 화재확산 여부 실험데이터를 제출해야 합니다.

간단히 정리하면 실내에서의 ESS 랙 간에는 최소 1.8~2.7m를 이격하고 그 외에도 추가적인 확산방지를 위한 대책을 의무화해야 합니다.

지금까지 이러한 세부규정들이 우리나라에는 없는 점과 이를 방치하면서 이용하는 자들의 탐욕이 문제라고 생각합니다. 결국 국가 중요산업 전반을 망치고 국가 전반의 신뢰를 떨어뜨리는 결과로 이어지고 있음을 기억해야 합니다.

7. (실내 전용 규정) 기본 스프링클러 성능ㆍ수원 확보:

자동감응형 헤드가 설치된 자동 스프링클러(Automatic Sprinkler)를 요구(헤드 등 세부 유형은 현장 상황에 따라 상이)합니다. 전체 실(해당 층)에 대해 12.24ℓ/min·㎡(0.3gpm/ft²)를 적용합니다.

추가로 옥내 소화전(Hose Stream)을 946ℓ/min(250gal/min)으로 설치하는 걸 고려합니다. 수원을 별도로 규정하는 국내와 달리 FM에서의 수원은 이 둘을 합산해 확보하는 게 기본입니다.

이와 관련해 FM에서 진행한 대형 ESS 설비(LNO/LMO) 실험에서 화재가 매우 확산돼 2500ft²(약 232㎡)에서도 화재가 제어되지 않았습니다. 따라서 반드시 해당 층 전체에 대해 스프링클러 설비 설치를 권고합니다.

수원의 경우 ‘(예상)화재 지속시간 = 45분×(연속으로 인접한 랙의 수, 단 스프링클러와 옥내소화전 등 수원 합산)’을 요구합니다.

랙 1대당 바닥면적 2.5㎡로 10개가 연속 설치된 랙을 가정해보면 랙 바닥면적이 아닌 층 전체 운영면적(단 수원 산정을 위한 바닥면적은 항상 최소한 232㎡ 이상인 것으로 가정해 충분한 수원을 확보하도록 설계)을 기준으로 해 약 17만ℓ(170㎥)의 수량이 필요합니다.

수원 관련 추가 규정으로는 화재 시 오염수 배수ㆍ저장 대책을 설계에 반영해야 합니다. 수원이 부족한 경우(토지 부족, 건물 과중량 우려 등) 불연재료 이상의 분할벽을 보다 많이 설치(예: 수원 180분 4랙마다, 수원 45분 랙별로)해야 합니다.

방화벽에 30㎝의 돌출벽과 랙 후면에 방화벽을 추가해야 합니다. 이러한 세부규정이 알려지면 아마도 국내 건축 쪽에서는 과도한 용량이라며 반발할 거로 예상되는데 실제로 공사단가가 상당히 상승할 겁니다.

그러나 안전을 달성하는데 결코 공짜는 없습니다. 비용 절감을 이유로 안전을 소홀히 해온 관행이 그동안 국가 전반의 안전 문화를 약화시키고 오직 자본확충과 본인들 이익에만 관심 있는 진정한 사고 유발자들임을 잊어선 안 됩니다.

8. 전기설비 보호, BMS 안전ㆍ온라인 감시:

각 ESS 랙은 비상 분리장치(비상차단 스위치, Disconnect Device, 랙과 이격됨)를 정비ㆍ비상용 목적으로 반드시 설치해야 합니다.

현장차단장치(Local Disconnect, 랙 바로 옆)는 랙 근처에 설치하되 원격, 자동ㆍ수동을 구분해 모두 가능하도록 해야 합니다.

랙에 관한 별도 권고사항으로는 DC 접지 결함 보호, 과전류(과부하ㆍ단락) 보호, 과ㆍ저전압 보호(과충전ㆍ과방전 방지)가 필요합니다. 다음으로 BMS는 다중 안전 대책을 요구하며 다음의 네 가지 기능을 모두 갖춰야 합니다. 

1) 셀 임계(고온) 온도 도달 시 셀 수준의 전기적 차단(High Cell Temperature Trip Cell Level)(가능하면 모듈 단위 분리 허용) 

 

2) 열 폭주 시 셀 수준의 전기적 차단(Thermal Runaway Trip – Cell Level) 

 

3) 랙 분리 스위치 전기적 차단 명령 미응답 시 식별 경보(Rack Switch Fail-To-Trip)

 

4) 인버터/충전기 전기적 차단 명령 무시 또는 통신 유실 시 관리자 수준의 상위 체계를 통한 ESS 전체 차단(격리)(Inverter/Charger Fail-To-Trip Supervisor Level) 

그 밖에 온라인으로 실시간 상태 감시를 통해 충ㆍ방전 전압/전류와 온도, 내부 저항, 용량, 충전상태(SOC), 성능상태(SOH), 알람 기록, 데이터를 상시 감시해 실시간으로 경보를 보낼 수 있어야 합니다.

 

결론적으로 이쪽 분야는 AI 도입이 필수고 진정한 실시간 센서와 다층구조 차단, 경보 체계가 상호보완적으로 작동하면서 시간을 두고 지속 보완돼야 합니다. 이를 위해선 진짜 전문가와 전문성이 반드시 함께해야 합니다.

 

하지만 개인적으로 국내에는 첨단분야 개발 연구진에 비해 사고 예방ㆍ대응에 관한 진정한 전문가는 거의 없고 계급과 권위에만 의존하는 행정가들만 잔뜩 있다고 생각합니다.

 

앞으로는 기술개발 속도 증가에 따른 지속적인 공부와 각계 전문가와의 협업이 필수라는 것 정도만 조언하고자 합니다.

9. 열폭주 조기감지(Early Intervention):

이번 ‘FM 5-33, 25년 4월 개정판’의 핵심사항이 담긴 부분으로 두 가지 기술 중 하나만 적용할 수도 있으나 복수 적용을 권고합니다.

조기감지를 위한 첫 번째 방식은 ‘셀 고온 기반 감지 방식’으로 제조사에서 제공한 운용 온도 임계치(특히 100% SOC 기준)보다 낮은 임곗값을 모니터링해 차단하는 방식입니다. 모듈에 충분한 수량의 온도 센서가 설치돼야 합니다.

두 번째로는 ‘오프가스 탐지(신규/강조) 방식’으로 FM 승인의 ‘VOC 감지기(현재까지는 Li-ion Tamer 제품이 유일)’를 랙 단위 또는 컨테이너 단위로 설치해 기준값 초과 시 자동으로 전기적 차단과 격리하는 방식입니다. 이번에 새롭게 추가된 핵심사항입니다.

이미 널리 알려진 VOC의 유기용매를 탐지하는 건 전해질의 오프가스 탐지에 집중하는 것으로 수소(H₂)의 경우 비교적 열폭주 후기에 농도가 급격히 증가한다는 문제점과 불화수소(HF)의 경우 전용 센서 등의 성능표준화ㆍ상용화가 미흡하기에 VOC 탐지 장비로 설정된 것에 주목할 필요가 있습니다.

그러나 이 부분은 조기감지를 위한 별도의 장치를 의미합니다. HVAC 공시순환설비에는 비상 환기 시 수소감지기(H₂ Detector)를 별도로 설치해야 합니다. 기준값으로 10% LEL(폭발 하한계) 초과 시 알람과 비상 배기ㆍ차단(격리)을 수행해야 합니다.

즉 간단히 정리하면 진정한 열폭주(2nd Vent 시기) 이전에 실시간 조기감지 기술이 우선입니다. 이 감지는 다른 구성요소가 아닌 전해질의 오프가스를 특정해 오작동 없이 경보를 울릴 수 있는 신뢰성을 확보해야 합니다. 나아가 다른 모든 구성요소가 정상 작동할 때만 진정한 예방이 가능함도 이해해야 합니다.

10. 정비ㆍ비상대응계획 수립:

평소 정비는 주기적인 자체 진단과 성능상태(SOH) 등 모든 주요 요소에 대한 점검을 통해 교체 시점을 관리하는 것과 연계됩니다.

이러한 데이터 분석을 통해 주요지표로 ‘배터리 수명 예상(Life Expectancy), 성능상태 경향(SOH trend), 급격한 열화 지표 등’을 반영해 교체 시점 조정ㆍ변경관리(MOC)를 포함한 배터리 교체 계획을 지속 수립ㆍ변경해야 합니다.

마지막 비상대응계획 수립에 대한 부분으로 시설ㆍ건축물에서는 일단 사고 발생 전 자체 비상대응계획인 ‘사전대응계획(Pre-Incident Plan)’을 소방서와 공동으로 수립(비상대응매뉴얼 작성, 접근경로, 수동 소화법, 연기 배기 등 포함)하고 관련 주요 오프가스의 독성ㆍ폭발성 화학물질에 대한 MSDS(물질안전정보)를 구비해야 합니다.

또 사고 후 후속처리에 대한 계획인 ‘사후복구계획(Post-Incident)’은 ESS 설치ㆍ건설 전 사전 승인사항으로 재발화 위험이 크기 때문에 열폭주로 인한 손상 장비 제거ㆍ폐기ㆍ대체 절차ㆍ장비(크레인 등), 서비스공급자 목록을 포함해 작성해야 합니다.

현재로서는 ESS 설치승인이나 비상대응계획 수립에 있어 소방서의 전문성도 떨어지지만 구체적인 실효성 있는 계획이 수립되지 않아 이를 개선하려면 엄청난 노력과 시간이 필요할 것으로 보입니다. 하지만 그 전에 일반직이나 중앙부처의 인식개선이 우선시 돼야 비로소 협업과 개선이 가능해질 겁니다.

글을 마치며

이 글이 스마트폰에서 스마트 카를 넘어 스마트 빌딩으로 나아가는 엄청난 기술발전의 과도기 속에서 그 중심에 있는 ESS에 대한 세부적이고 강제성 있는 국내 화재안전기준 마련에 초석이 되길 바랍니다. 

특히 언젠가 엄청난 경제ㆍ사회적 손실을 줄 ‘리튬이온 배터리 ESS 폭발 사고’를 예방하는 데 도움이 됐으면 합니다. 

지금처럼 그냥 지나치다가는 청라 아파트 전기차 폭발ㆍ화재사고뿐 아니라 지난 몇 년 사이 발생한 수많은 ESS 관련 대형 화재처럼 계속해서 사고로 인한 비용이 증가할 수밖에 없습니다. 

이젠 기존의 인식과 기술로는 해결이 어렵다는 사실을 깨닫고 안전비용은 절대 아깝지 않다는 것을 모든 국민이 기본으로 삼는 날이 오길 바랍니다.

1) 중국 전기차 화재안전기준(GB 38031-2025): 올해 3월 28일 발표됐으며 내년 7월 1일 시행될 예정이다. 리튬이온 배터리와 최근에 양산을 발표한 소듐배터리를 포함한다. 특히 열폭주 등에 관한 안전기준이 대폭 강화됐다. 

2) FMDS 5-33: FM Global에서 작성한 ‘DS 5-33 Lithium-Ion Battery Energy Storage Systems(리튬이온 배터리 ESS, 2025년 4월 개정판)’에 관한 코드(표준). 본 글에서의 모든 내용은 해당 코드의 내용을 기반으로 작성됐다.

경기 용인소방서 김흥환 : squalkk@naver.com

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2025년 12월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

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