배터리 에너지 저장시스템(BESS)의 선박 적용을 위한 배터리 화재·폭발 안전성 평가에 관한 연구 = A study on battery fire and explosion safety evaluation of battery energy storage system(BESS) for ship application

국문 초록 (Abstract)

국제해사기구(IMO)의 강화된 환경규제로 인해 선박 추진시스템은 친환경 중심으로 전환되고 있으며, 이에 따라 배터리 에너지 저장시스템(Battery Energy Storage System, BESS)의 적용이 확대되고 있다. 선박 내 배터리 에너지 저장시스템은 추진 보조, 전력 피크 절감, 에너지 효율 향상 등을 목적으로 도입되며, 배터리 셀뿐 아니라 배터리 관리 시스템(BMS), 전력변환장치(PCS), 에너지 관리 시스템(EMS) 등 다양한 구성 요소로 통합 운영된다. 특히 리튬이온 배터리(Lithium-ion Battery, LIB)는 높은 에너지밀도, 장수명, 충·방전 효율 등 우수한 특성으로 인해 배터리 에너지 저장시스템의 핵심 요소로 널리 채택되고 있다. 그러나 리튬이온 배터리는 인화성 전해질을 포함하고 있어, 외부 충격이나 내부 단락, 열 폭주 등 이상 조건 발생 시 화재나 폭발로 이어질 수 있는 잠재적 위험성을 내포하고 있다. 이러한 특성은 선박이라는 제한된 공간과 밀폐 구조, 외부 소화지원의 한계와 맞물려, 배터리 에너지 저장시스템의 화재·폭발 안전성 확보가 매우 중요한 기술적 과제로 대두되고 있다. 그러나 현재 국내·외 대부분의 선급 규정은 육상 기반의 IEC 표준을 바탕으로 하고 있으며, 선박 운항 환경의 특수성을 반영한 안전성 시험 기준은 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 선박용 배터리 에너지 저장시스템의 실환경 적용을 고려하여, 기계적·열적 남용 조건에서 단위 셀 및 모듈 수준의 안전성 시험, 열 폭주 및 오프가스에 따른 2차 폭발시험, 초기 화재 대응을 위한 타겟 분사 방식의 소화시스템 평가를 종합적으로 수행하였다. 이를 통해 선박 환경에 특화된 안전성 확보 방안을 제시하고, 향후 규정 개선을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.

본 연구에서는 선박용 배터리 에너지 저장시스템의 안전성 확보를 위해 국내·외 기준을 분석하고, 기계적·열적·전기적 남용 조건에 대한 고위험 시험 항목을 도출하여 실증시험을 수행하였다. 배터리 유형과 충전상태에 따라 고온, 충격, 진동, 압착에 대한 내구성을 평가한 결과, 셀 유형별 특성이 상이하게 나타났으며 전반적으로 높은 안전성을 확인하였다. 또한, 기존 육안 평가의 한계를 보완하기 위해 48시간 방치 및 전압 계측 기법을 도입하여 외관상 확인되지 않는 미세 손상이나 성능 저하까지 정량적으로 진단 가능한 평가체계를 제시하였다. 이러한 결과는 선박 특유의 운용 조건에 최적화된 배터리 안전성 평가 기준 수립의 필요성을 강조하며, 향후 관련 규정 및 시험 지침 개선에 실질적인 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

두 번째로 선박용 배터리 에너지 저장시스템 설치 구역에서 열 폭주에 의해 발생하는 오프가스가 2차 폭발을 유발할 수 있는 위험성을 평가하고, 방화 격벽의 구조적 안전성을 정량적으로 분석하였다. 이를 위해 셀 단위 열 폭주 시험을 통해 오프가스의 주요 가연성 성분을 규명하고, 혼합가스를 활용한 폭발시험을 통해 오프가스의 폭발 위험성을 시험적으로 입증하였다. 이후 해당 결과를 기반으로 실선을 대상으로 유한요소해석을 수행하여 배터리 실 격벽의 구조 한계 상태를 평가하였다. 그 결과, 배터리 실 설계 시 폭발을 고려한 실효성 있는 구조설계 및 이격거리 확보의 필요성을 도출하였으며, 향후 규정 개정 및 설계 기준 수립에 실질적인 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

세 번째로 선박의 밀폐 구조와 제한된 공간적 특성으로 인해 화재 발생 시 외부 소방 지원이 어려운 점을 고려하여, 배터리 에너지 저장시스템 화재의 초기 진압을 위한 타겟 분사 방식의 소화시스템을 제안하였다. 이를 위해 비수계(Novec 1230) 및 수계(F-500) 소화제를 활용하여 단일 및 다중 모듈 구성에서 화재 진압 성능을 시험적으로 비교하였다. 두 소화제 모두 초기 열 폭주 대응에 효과적이었으며, 타겟 분사 방식은 발화 지점에 소화약제를 직접 분사함으로써 열 방출을 국소적으로 차단하고 열전달을 억제하여 화재 확산을 효과적으로 방지하였다. 특히 밀폐된 캐비닛과 높은 방수방진 등급(IP44 이상)이 요구되는 선박 환경 특성상, 외부 공급 방식보다 모듈 내부 설치 방식의 실효성이 강조되었다. 열 폭주 감지와 타겟 분사 기능이 통합된 내부형 소화 시스템은 향후 선박용 배터리 에너지 저장시스템 안전 가이드라인에 반영될 수 있으며, 초기 화재 진압을 통한 재발화 억제 및 구조적 피해 최소화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 전기추진선박의 핵심 설비인 배터리 에너지 저장시스템의 화재·폭발 안전성 확보를 위해 다작적 접근을 수행하였다. 선박 운항 환경을 반영한 기계적·열적 남용 시험을 통해 시험 조건 및 위험 인자 영향을 시험적으로 검증하였으며, 열 폭주 시 발생되는 오프가스에 의한 폭발 위험성을 폭발시험을 통해 시험적으로 입증하고 위험도를 정량적으로 평가하였다. 아울러 선박의 제한된 공간 특성에 최적화된 타겟 분사 소화시스템의 초기 화재 확산 방지 효과를 시험적으로 입증하였으며, 이러한 결과를 바탕으로 선박 내 에너지 시스템 안전 가이드라인 마련에 기여하였다. 본 연구 결과는 선박용 배터리 안전성 평가 관련 규정 및 기술 기준 강화를 위한 학문적·실무적 토대로 활용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 국문 요약 i
• 목차 iii
• 그림 목차 v
• 표 목차 viii
• 기호 설명 x
• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적과 연구 범위 6
• 제 2장 문헌 조사 및 선행 연구 소개 7
• 2.1 배터리 시스템 개요 7
• 2.2 배터리 화재 특성 관련 연구 10
• 2.3 배터리 화재 진압 관련 연구 13
• 제 3장 선박용 배터리 에너지 저장시스템 안전성 시험 16
• 3.1 선박용 배터리 에너지 저장시스템 안전성 시험 항목 16
• 3.1.1 국내 외 배터리 시험 관련 규격분석 16
• 3.1.2 선박용 배터리 에너지 저장시스템 안전성 시험 항목 23
• 3.2 선박용 배터리 에너지 저장시스템 배터리 셀 안전성 시험 28
• 3.2.1 시험개요 28
• 3.2.2 고온 시험 29
• 3.2.2.1 시험 조건 30
• 3.2.2.2 시험 결과 33
• 3.2.3 충격 시험 38
• 3.2.3.1 시험 조건 38
• 3.2.3.2 시험 결과 40
• 3.2.4 진동 시험 48
• 3.2.4.1 시험 조건 48
• 3.2.4.2 시험 결과 50
• 3.2.5 압착 시험 55
• 3.2.5.1 시험 조건 55
• 3.2.5.2 시험 결과 57
• 3.3 결과분석 60
• 제 4장 선박용 배터리 에너지 저장시스템 설치 구역 구조안전성 연구 62
• 4.1 선박용 배터리 에너지 저장시스템 화재 폭발 시험 62
• 4.1.1 오프가스 분석 시험 62
• 4.1.1.1시험 조건 62
• 4.1.1.2 시험 결과 64
• 4.1.2 최대 폭발압력 시험 66
• 4.1.2.1시험 조건 66
• 4.1.2.2 시험 결과 69
• 4.2 유한요소해석 71
• 4.2.1 해석 모델 71
• 4.2.2 재료 특성 73
• 4.2.3 해석 조건 74
• 4.2.4 해석 결과 78
• 4.3 결과분석 81
• 제 5장 선박용 배터리 에너지 저장시스템 소화시스템 연구 83
• 5.1 선박용 배터리 에너지 저장시스템 소화시스템 83
• 5.2 선박용 배터리 에너지 저장시스템 화재 진압 시험 85
• 5.2.1 시험개요 85
• 5.2.2 단일 모듈 화재 진압 시험 87
• 5.2.2.1시험 조건 87
• 5.2.2.2 시험 결과 88
• 5.2.3 다중 모듈 화재 진압 시험 91
• 5.2.3.1 시험 조건 92
• 5.2.3.2 시험 결과 93
• 5.3 결과분석 97
• 제 6장 결론 및 향후 연구 98
• 참고문헌 101
• 부록 A 고장모드 영향분석 설문 양식 및 결과 데이터 110
• 부록 B 충격 시험 결과 121
• 부록 C 압착 시험 결과 142
• Abstract 146