13만 대의 전기차, 오직 137개의 진압 장비

13만 대의 전기차, 오직 137개의 진압 장비

대학생신재생에너지기자단 20기 조현선

 

증가하는 전기차 사용에 따른 사고 빈도 

전 세계 탄소 배출의 14%가 운송 부분에서 발생한다는 점에서 전기자동차의 탄생은 매우 반가운 소식이었다. EU의 ‘2050 탄소제로’ 정책을 시작으로 세계적으로 자동차 시장에서 친환경 차량의 판매량이 높아졌고 2020년 기준 세계 전기차 판매량은 324만 대로 2019년 기준 43%가 증가했다. 코로나19 바이러스로 인해 총 자동차 판매량은 실질적으로 20% 감소하였지만 전기차 판매량은 43% 증가했다는 점이 매우 놀라운 셈이다. 일상생활에 꼭 필요한 이동 수단 중 하나인 차량이 친환경적이라는 것은 지구 입장에서도, 소비자 입장에서도 기쁜 소식이지만, 해가 거듭날수록 전기차의 화재 사고가 늘어나 대중들에게 큰 걱정거리로 남겨졌다. 그중 가장 큰 걱정거리는 바로 전기차 화재이다. 이번 기사에서는 전기차 화재의 원인 중 하나인 열 폭발의 대해 알아보고 이에 따른 국내 소방서의 화재 진압 방법에 대해 알아보고자 한다.

[자료 1. 국내 전기차 화재 건수 및 재산피해액] 

출처:  더스쿠프

 

화재 사고가 일어나는 이유 (열 폭주)

많이들 알다시피 전기차 화재가 발생하는 큰 원인을 배터리라고 전문가들은 지적한다. 많은 기업들이 채택한 배터리는 리튬이온배터리인데, 장점으로는 부피와 무게가 적지만 에너지 효율성이 높아 가벼우면서도 빠른 주행을 가능하게 한다. 하지만 압력이나 충격에 약해 한 번 충격을 받을 시 배터리의 온도가 급격하게 상승하면서 화재로 이어질 가능성이 높다. 이러한 내부 온도의 상승은 열 폭주 현상을 가져올 수 있다.

 

[자료 2. 배터리 열폭주]

출처: 티스토리

배터리의 열 폭주란, 일정 온도 이상으로 유지가 될 경우 배터리 셀의 전해질이 기체화가 되어 셀 내부의 압력이 증가하게 되고 이때 가연성 전해질 물질이 기화되고 분출되어 배터리 분리 막에 손상이 간다. 인접한 셀들마저 가열될 경우 화재가 확산되어 배터리 전체에 화재가 발생하게 된다. 배터리의 음극에서는 약 70~90도의 발열반응이 발생하고, 양극에서는 130~150도에서 발생한다. 지속적으로 상승하면 에너지 발생 속도가 증가해 폭주하게 된다. 1000도가 넘는 열 폭주는 가연성 가스를 엄청난 양으로 배출하기 때문에 화재의 규모를 ‘폭발’이라고 칭할 정도로 위험한 화재가 발생한다. 또한 이온은 물과 반응을 잘 하기 때문에 물을 뿌리게 되면 불이 더욱 커질 수 있어 리튬 전극이 다 소진될 때까지 기다려야 한다.

[자료 3. 열폭주 과정]

출처: 티스토리

그렇다면 열 폭주가 왜 발생할까? 

• 설치 오류 

배터리 공정 과정에서 간혹 발생한다. 배터리 자체가 물리적 충격에 의해 내부 분리 막이 손상된 상태에서 충전, 방전, 주행을 반복적으로 하는 경우 내부 쇼트로 열이 발생하게 되어 화재가 발생한다.

• BMS 결함 

BMS란 Battery Management System으로 과충전과 과방전을 막지 못하는 파워 제한을 못 해 셀 이 가열되어 화재가 생긴다.

• 보호 장치 결함

보호 장치도 BMS 결함과 비슷한 맥락이다. 자동차의 시동을 걸어 전류가 흐르게 될 때 순간적으로 최대의 전류가 흘렀다가 점차 안정화를 찾게 되는데, 이때 돌입 전류를 막아주기 위한 적절한 보호 장치가 없을 경우 배터리 셀에 과전류가 유입되어 내부 쇼트가 나가버려 화재가 일어나기도 한다. 

 

소방대원들이 생각해낸 방법

미국에서 발생한 테슬라 전기차의 화재 사고는 정말 끔찍했다. 7명의 소방관이 동원된 이 화재 진압은 8시간 동안 11만 L의 물을 퍼붓고 나서야 끝을 보였다. 내연기관차의 평균 화재 진압은 대략 1시간인 것에 비해 8시간과 11만 리터의 물의 양은 과연 충격이 아니다. 우리나라 소방청은 이러한 전기차 화재 사고의 심각성을 인지하고 지난 2년간 미공개 실험을 해왔다. 아무리 소화기로 꺼도 안 꺼지고, 산소를 차단해도 불씨가 다시 살아났다. 그렇게 소방청에서 낸 결론은 “기존 방식으로는 제대로 진화가 안 된다.”이다.

[자료 4. 열폭주 진압 실험] 

출처: JTBC 뉴스

• 산소 차단 실험

질식소화 포로 덮어 공기와 접촉을 막은 지 10분이 지나 엔진의 온도는 계속 올랐다. 20분이 지나도 상황은 마찬가지로 온도가 더 올랐고 불길은 그대로였다. 이렇게 소방청은 질식 소화포는 완전 진화가 불가능하다고 결론을 내렸다.

• 소화기 실험

충분히 진화가 됐다고 생각을 했으나 1분이 채 되지 않아 다시 불이 붙었다. 

• 혼합

소화기로 불길을 20분 만에 진압하였으나 불이 다시 살아날 수 있기 때문에 소화포를 덮어놓는 실험을 진행했다. 3시간이 지났지만, 역시나 연기가 계속 새어 나오고 열화상 카메라를 통해 확인해도 온도는 떨어지지 않는다. 

 

독일과 같은 해외에서는 차를 들어 올려 물이 담긴 컨테이너에 차를 넣는다. 우리나라 소방서 중 단 두 곳이 이 컨테이너를 가지고 있지만 이동하기 쉽지 않아 어려움을 갖는다. 독일을 선례로 우리나라 소방청이 생각해낸 방법은 바로 현장에서 직접 만들어 쓰는 수조이다. 

[자료 5. 소방청의 이동형 수조 실험]

출처: JTBC 뉴스

① 장비로 자동차 바퀴를 든다.

② 자동차 아래에 특수 유리섬유로 만든 포를 깐다.

③ 벽을 만들어 둘러싸고 씌우면 수조가 만들어진다.

④ 물을 채운다.

이러한 방법은 소방대원 4명이 단 7분 만에 만들어냈다. 이렇게 할 경우 630도까지 올랐던 배터리가 냉각 수조 침수 후 한 시간이 지나면 68도까지 내려갔다고 전해진다. 

 

전기차 화재를 예방하기 위해 시행되는 연구들

이뿐만 아니라 각 기업에서는 더 ‘안전한’ 배터리를 만들기 위해 다양한 시스템을 개발했다. 

• BMS 업그레이드

앞서 언급한 배터리 관리 시스템은 배터리 셀의 온도와 충전 상태, 전압까지 모두 관리하는 역할을 하는데 BMS에 내부 압력이 높아질 경우 가스를 분출하는 가스 배출 장치를 만들어 한층 더 업그레이드했다. 여기에 더해 과충전 될 경우 이를 방지하기 위한 과충전 방지 장치, 특정 전류가 흐르면 회로를 끊는 단락 차단 장치도 있다.

• LS일렉트릭

최적의 온도를 기준으로 모니터링을 한 후, 이상 징후를 의미하는 40도 직전부터 위험을 알리는 경고 시스템을 개발했다. 비상시에는 운행을 중단시킬 수 있는 냉방 공조 시스템도 개발했다.

• 삼성SDI

배터리 셀에 화재가 일어날 경우 다른 셀로 번지는 것을 막기 위한 열 확산 차단제를 개발했다.

• LG화학 

배터리의 분리 막 표면을 세라믹으로 코팅해 안전성을 높였다.

 

기업들이 안전한 제품을 만드는 것도 중요하지만, 개인들 또한 화재 대처 방법을 숙지해야 하는 것도 우리의 숙제이다. 소방청은 최근 전기자동차 화재 증가에 따라 관련 사고가 일어날 경우 체계적으로 대응할 수 있게 전기자동차 사고 대응 매뉴얼을 발간하였다. 국내에 보급된 전기자동차 32종의 특징, 위험성, 사고 대응 절차와 단계별 조치 사항까지 모두 담아낸 매뉴얼을 스마트폰 애플리케이션으로도 제작해 보급한다고 한다.

 

[자료 6. 소방청 전기자동차 매뉴얼]

출처: 연합뉴스

 

안전한 전기차와 우리의 미래 

전기차의 화재 발생 확률은 0.0027%로 일반 내연기관차보다 0.01% 낮은 것으로 집계되었다. 즉, 전기차는 10만 대 당 2.7대, 내연기관차는 10만 대 당 10대인데, 이러한 수치로 보았을 때 확실히 적은 것은 사실이다. 그러나 앞서 설명했듯이 리튬이온배터리 자체가 한 번 불이 붙으면 제어하기 어렵고, 열폭 주의 위험이 있기 때문에 화재의 규모와 위험도가 더 높아 일반 대중들에게 더 위협적으로 보인다. 한국과학기술연구원 에너지 저장연구단장 정경윤 씨는 “전기차가 성장하고 있는 산업이다 보니 화재가 발생하면 더 크게 부각되고 있다.”라고 했다.

 

[자료 7. 내연차와 전기차 화재 확률 비교]

출처: 매일경제

그만큼 우리들과 전기차의 더 안전한 신뢰가 필요하다. 소방청의 노력과 더불어 최근에 발생한 전기차 화재 사고들이 어쩌면 국내외 배터리 기업들이 기회로 삼아 더 완성도 있는 시스템을 구축하며 발전할 거라고 생각한다. 올해 전체 신차의 7%가 전기차를 차지할 만큼 앞으로의 전기차의 전망을 기대해 볼 만하다. 시작의 단계에 있는 전기차, 미래에는 모두의 이동 파트너가 되어있기를 희망해 본다.

 

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전기차 배터리에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "ESS 폭발사고가 배터리 탓이라고? 배터리도 나름 억울합니다!", 15기 김민서, 16기 임상현, 19기 김성민, 19기 서명근, https://renewableenergyfollowers.org/3499 

2. "배터리가 걸어온 길, 배터리가 걸어갈 길",  15기 김민서 16기 임상현 19기 김성민 서명근, https://renewableenergyfollowers.org/3369 

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참고문헌

[증가하는 전기차 사용에 따른 사고 빈도]

김필수, 전기차 “터지면 끝” 화재를 잡아라, 더스쿠프, 2021.09.14, http://www.thescoop.co.kr/news/articleView.html?idxno=51911 

 

[화재 사고가 일어나는 이유 (열폭주)]

최근도, [Science in Biz] 리튬배터리 '열폭주' 조짐 보이면 경고…잇따른 전기차 화재 막는 첨단 기술들, 매일경제, 2021.01.28, https://www.mk.co.kr/news/business/view/2021/01/90376/ 

프리노마드 프리노마더, 배터리 열폭주(Thermal runaway)에 대한 간단한 이해, 티스토리, 2020.11.26, https://limitsinx.tistory.com/5 

 

[소방대원들이 생각해낸 방법]

김필준, 리튬이온 배터리, 밀폐공간 열폭주 땐 가스폭발도, JTBC 뉴스, 2021.05.05, https://mnews.jtbc.joins.com/News/Article.aspx?news_id=NB12003140 

박상률, 전기차 화재 진압용 '이동형 수조' 개발 눈길, 연합뉴스, 2021.11.11, https://www.yna.co.kr/view/MYH20211111003700641 

소방청, 전기차 화재진압용 이동형 냉강수조 화재진압 시험 실시, 정책브리핑, 2021.11.09, https://www.korea.kr/news/pressReleaseView.do?newsId=156480401 

정영재, 불나면 끄기 어려운 '전기차 열폭주'…119의 해법은, JTBC 뉴스, 2021.11.10, https://news.jtbc.joins.com/article/article.aspx?news_id=NB12031741 

 

[전기차 화재를 예방하기 위해 시행되는 연구들]

권수현, 소방청, 전기자동차 사고대응 매뉴얼 개발...일선현장 보급, 연합뉴스, 2020.09.21, https://www.yna.co.kr/view/AKR20200921035100530 

최근도, [Science in Biz] 리튬배터리 '열폭주' 조짐 보이면 경고…잇따른 전기차 화재 막는 첨단 기술들, 매일경제, 2021.01.28, https://www.mk.co.kr/news/business/view/2021/01/90376/#:~:text=%EC%97%B4%ED%8F%AD%EC%A3%BC%EB%8A%94%20%EC%84%A4%EA%B3%84%20%EC%98%A4%EB%A5%98,%EC%9C%BC%EB%A1%9C%EB%8F%84%20%EB%B0%9C%EC%83%9D%ED%95%A0%20%EC%88%98%20%EC%9E%88%EB%8B%A4 

 

[안전한 전기차와 우리의 미래 ]

원호섭, “전기차 불 나기 쉽다던데 괜찮나?”...내연차 10만대당 10대 보다 낮은 2.7대 꼴, 매일경제, 2021.09.06, https://www.mk.co.kr/news/business/view/2021/09/860255/