전기저장장치 시설기준

왜 배우는가: 전기저장장치(ESS)는 신재생에너지 확대와 함께 설치가 늘어나 화재·감전 위험과 시설기준이 함께 중요해졌다. 기술사 시험에서는 이차전지 ESS의 시설장소와 용량별 추가 요건, 보호·제어장치 요건이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제128회 1교시 12번, 제120회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전기저장장치는 전기를 저장했다가 필요한 때 공급하는 시스템으로, 이차전지·배터리관리시스템·전력변환장치·에너지관리시스템으로 구성된다.

• 전기저장장치(ESS, Energy Storage System)
• 이차전지(Secondary Battery)
• 배터리관리시스템(BMS)
• 전력변환장치(PCS)
• 시설장소
• 보호장치·제어장치

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전기를 모아 두었다가 필요할 때 꺼내 쓰는 큰 배터리 설비다. 남는 전기를 저장해 피크 시간에 공급하거나 정전 때 전원을 대신하는 데 쓴다.

전기설비기술기준은 전기저장장치를 '전기를 저장하고 공급하는 시스템'으로 정의한다. 이 정의를 근거로 전기저장장치는 발전 설비와 함께 다루는 것이 원칙이다. 전기를 다른 에너지로 바꾸어 저장한 뒤 다시 공급하는 설비도 발전소의 범위에 든다.

기술기준에서 전기저장장치는 전기를 전력 계통에 저장했다가 가장 필요할 때 공급하는 장치다. 배터리는 이차전지에 한정하여 보며, 배터리 관리시스템과 전력 변환 장치, 에너지 관리 시스템으로 구성된다. 이 구성이 전기저장장치를 설명하는 기본 틀이다.

설치 형태는 두 가지로 나뉜다. 옥외형 전기저장장치 설비는 컨테이너나 패널 같은 전용 건축물 형태로 옥외의 구획된 실에 설치한다. 옥내형 전기저장장치 설비는 전용 건축물이 아닌 건축물 내부에 설치한다. 두 형태는 설치 장소에 따라 요구되는 이격·방화 조건이 달라진다.

배터리실은 배터리를 보관하기 위해 별도로 구획된 실이다. 배터리실을 따로 두면 화재가 번지는 범위를 줄일 수 있어 설치 기준에서 중요하게 다룬다.

3. 등장 배경과 필요성

재생에너지는 발전량이 날씨에 따라 변동한다. 발전량과 수요가 맞지 않으면 계통 주파수와 전압이 흔들린다. 전기저장장치는 이 불일치를 완충하는 설비로 도입이 늘었다.

설치가 늘면서 사고 위험도 함께 커졌다. 이차전지는 과충전, 과방전, 열폭주 등으로 화재가 날 수 있다. 전기설비기술기준은 전기저장장치를 시설할 때 인체 감전과 화재, 그 밖에 사람에게 위해를 주거나 다른 전기설비에 지장을 주지 않도록 하라고 규정한다.

또 전기저장장치는 사용 목적에 맞게 전기를 안정적으로 저장하고 공급해야 한다. 이를 위해 적절한 보호장치와 제어장치를 갖추고 폭발의 우려가 없도록 시설해야 한다. 이 요구가 시설장소와 용량별 추가 요건, 보호·제어장置 요건의 출발점이다.

이차전지는 종류에 따라 위험 특성이 다르다. 리튬계는 열폭주 위험이 크고, 나트륨계는 상대적으로 안전성이 높다고 알려져 있다. 레독스플로우 계열은 전해액을 탱크에 저장하는 방식이라 구조가 다르다. 이 차이 때문에 용량과 종류에 따라 추가 요건을 둔다.

4. 구성요소·원리·절차

전기저장장치(ESS)는 배터리, 배터리관리시스템(BMS), 전력변환장치(PCS), 에너지관리시스템(EMS)으로 구성된다. 시설기준은 이 구성요소 각각이 감전·화재·폭발을 막도록 요구한다. 구성요소의 역할을 먼저 이해해야 판단기준의 요건이 어느 설비를 겨냥하는지 답안에 정확히 쓸 수 있다.

표의 설비들은 서로 독립적으로 동작하지 않는다. BMS가 이상을 검출하면 PCS를 정지시키고 차단기를 개방하는 연동 구조가 기본이다. 이 연동이 이상 발생 시 전로를 자동으로 차단하는 보호장치가 전기저장장치의 핵심 요건이다. 여기서 '자동 차단'은 사람의 조작 없이 동작하는 것을 뜻한다.

원리는 다음과 같다. 이차전지는 충전 때 화학 에너지를 저장하고 방전 때 전기 에너지를 내보낸다. 이 과정에서 과충전, 과방전, 과전류, 과열이 생기면 내부 반응이 폭주할 수 있다. 따라서 시설기준은 열폭주를 막는 보호와 가스 배출·폭발 방지를 함께 요구한다.

전기저장장치의 운전 절차는 다음과 같다.

• 충전 전 BMS가 셀 전압, 온도, 절연 상태를 점검한다.
• 정상이면 PCS를 통해 계통에서 전력을 받아 충전한다.
• 방전 시에는 EMS가 수요에 맞춰 방전 지령을 내린다.
• 충·방전 중 이상값이 검출되면 BMS가 PCS를 정지시킨다.
• 이상이 지속되면 차단기를 개방하고 경보를 발한다.
• 복구 전 원인을 확인하고 절연과 온도를 재시험한다.

위 절차에서 1번과 4번이 보호장치 요건과 직접 대응한다. 판단기준은 사람이 상시 감시하지 않는 경우에도 이상 시 안전하게 정지하도록 요구하므로, 자동 감시와 자동 차단이 필수다.

5. 관련 법령·기준·표준

전기저장장치의 전기적 시설 요건은 「전기설비기술기준」(고시)과 그 판단기준이 정한다. 소방 측면의 화재 안전은 「전기저장시설의 화재안전기술기준(NFTC 607)」이 정한다. 두 기준은 역할이 다르다. 전기설비기술기준은 감전·화재·공급지장을 막는 전기적 성능을 규정하고, 화재안전기술기준은 소화설비와 배터리실 구획 등을 규정한다.

전기설비기술기준 제53조의3은 전기저장장치의 일반 요건을 정한다. 인체 감전과 화재, 다른 전기설비 지장을 막도록 시설해야 한다. 또 사용 목적에 따라 전기를 안정적으로 저장·공급할 수 있도록 적절한 보호 및 제어장치를 갖추고 폭발 우려가 없도록 시설해야 한다.

전기저장장치 시설 기준값은 다음 표에 정리한다.

위 표에서 전압 구분은 전기설비 전반에 적용되는 값이다. 전기저장장치 고유의 값은 일반 요건과 정의가 핵심이다. 스프링클러 방식은 배터리실에 한해 적용되며, 더블인터락 방식은 신속한 작동 목적상 제외된다.

관련 기준의 연혁도 함께 알아 둔다. 전기설비기술기준은 한국전기설비규정(KEC) 체계로 바뀌었고, 이 체계에서 판단기준이 공고로 운영된다. 화재 측면은 화재안전기술기준 체계에서 NFTC 607이 전기저장시설의 기준을 담는다.

6. 유형과 비교

전기저장장치는 저장 매체, 설치 장소, 용량 구간에 따라 나뉜다. 시설기준은 이 구분에 따라 요구사항이 달라지므로 먼저 유형을 정리해 두어야 한다. 아래 표는 설치 장소 기준의 옥내형과 옥외형 구분이다.