최근 에너지 효율 향상과 탄소중립 정책 확산에 따라 에너지 저장시스템(energy storage system, ESS)의 구축이 빠르게 확대되고 있다. ESS는 전력 수요 변동에 대응하는 핵심 기술로, 고출력⋅고밀도의 리튬이온 배터리 사용을 기반으로 하며, 이러한 배터리는 전기자동차, 휴대용 전자기기 등 다양한 분야에서도 활용되고 있다. 더 나아가 사용이 종료된 배터리는 재사용 및 재활용 영역으로까지 확장되면서, 그 수요와 공급이 급격히 증가하고 있다. 이에 따라 대량의 배터리를 임시 보관 및 관리할 수 있는 새로운 저장공간의 필요성이 대두되고 있으며, 기준 물류창고나 매자닌(mezzanine) 구조를 갖춘 보관시설이 잠재적 활용처로 주목받고 있다. 그러나 이러한 확산과 함께 배터리 화재 및 폭발 사고 또한 빈번히 발생하고 있으며, 그 위험성은 심각한 사회적 문제로 대두되고 있다(1). 리튬이온 배터리는 외부 충격, 과충전, 내부 단락 등의 이상 조건 발생 시 급격한 내부 온도 상승으로 인해 열폭주(thermal runaway)가 발생한다(2). 이 과정에서 축적된 화학에너지가 폭발적으로 방출되며 화염과 고온 가스가 동반되고, 주변으로 확산되어 복합적⋅대형화재로 발전하게 된다. 또한 리튬이온 배터리의 연소 과정에서는 단순한 연소가스(CO, CO₂)뿐만 아니라 인체에 치명적인 불화수소(HF), 메탄(CH₄), 에틸렌(C₂H₄) 등 다량의 독성⋅가연성 가스가 배출된다(3,4). 특히 HF는 극미량만으로도 호흡기 및 점막에 심각한 손상을 유발할 수 있어, 화재 자체보다 연기 및 유해가스 노출이 더 큰 위협 요인으로 작용하는 경우가 많다. 이러한 위험성은 밀폐⋅반밀폐 구조의 창고나 저장실과 같은 공간에서 더욱 극대화된다. 이와 같은 특성으로 인해 배터리 보관 시설의 화재안전성 확보는 매우 중요한 과제로 부각되고 있다. 특히 매자닌 구조를 가진 창고는 화재 발생 시 연소 확산 속도와 강도가 크게 증가할 수 있으며, 복잡한 공간 구조는 소방 활동을 저해하는 요인으로 작용한다. 실제로 2021년 발생한 쿠팡 물류센터 화재의 경우, 매자닌 구조와 복잡한 동선으로 인해 진압에 장시간이 소요되었으며 건물 전소로 이어지는 대형 피해를 초래한 바 있다(5). 따라서 본 연구에서는 매자닌 구조를 갖춘 창고에서 배터리가 적재된 상태를 가정하고, 모든 화재안전시스템이 작동하지 않는 보수적 조건에서 매자닌 면적비율 변화에 따른 화재 및 연기확산 특성을 FDS 기반 Pyrosim으로 시뮬레이션하고, 피난 가능성을 pathfinder로 분석함으로써 매자닌 구조가 화재안전성에 미치는 영향을 종합적으로 규명하고자 한다. Figure 1은 모델링 단계에서 설정된 직통계단, 매자닌, 및 센서의 배치 위치를 나타낸 것이다.

에너지 저장장치(ESS) 및 리튬이온 배터리를 사용하는 설비에서 발생한 화재 사고 사례를 분석한 결과, 주요 화재 원인과 피해 확대로 이어진 요인은 다음과 같이 도출되었다. 첫째, 배터리 셀 내부 단락 및 열폭주 위험이다. 제조 결함이나 관리상의 문제로 인해 셀 내부에서 단락이 발생하면 급격한 발열과 함께 열폭주가 유발되고, 인접 셀과 모듈 전체로 화재가 급속히 확산하는 사례가 다수 보고되었다. 둘째, 열폭주 억제 및 완화장치의 부재이다. 셀 간 격리구조나 효과적인 소화설비가 마련되지 않은 경우, 국부적이었던 화재가 전체 랙으로 확산되어 대형 화재와 폭발로 발전하였다. 특히 미국 애리조나 사고사례에서는 방화격벽 및 배터리 화재에 적응성 있는 자동소화설비의 미비로 인하여 화재 확산 및 폭발로 이어졌다(6). 셋째, 가연성 가스 배출 및 환기 불량이다. 리튬이온 배터리 연소 과정에서 전해질 분해로 다량의 인화성 가스가 발생하며, 밀폐공간 내에 축적되어, 폭발적인 연소로 확대되었다. 넷째, 시스템 관리 및 초기 대응의 미흡이다. 비상전원 차단, 화재발생 시 초기 대응절차, 피난 및 안전 교육이 충분하게 이행되지 않아 인명피해가 확대되었다. 앞서 제시한 여러 요인들은 배터리 저장시설에서 화재위험성을 높이는 핵심적인 위험요인으로 지목되고 있으며, 이러한 문제는 단순히 개별 시설의 안전 문제를 넘어 대규모 인명 피해와 사회⋅경제적 손실로 직결될 수 있다. 이에 따라, 리튬이온 배터리를 대량으로 저장하는 시설의 기초적인 화재 거동과 열, 연기의 특성에 대한 정량적 이해가 필요하다. 에너지 저장장치(ESS)와 리튬이온 배터리를 사용하는 설비에서 발생한 화재 사고사례를 Table 1(7-13)에 정리하였다.

본 연구에서는 매자닌 구조를 갖춘 배터리 보관 창고를 대상으로 FDS 기반 PyroSim과 pathfinder를 활용하여 화재 특성과 피난 안전성을 정량적으로 분석하였다. 화재 시뮬레이션은 매자닌 면적비(0, 1/3, 1/2, 2/3)에 따라 4가지 조건으로 수행하였으며, 그 결과 매자닌 1/2 이상일 경우 온도 상승, 가시도 저하, 산소⋅이산화탄소 농도 변화가 더욱 빠르게 가속화되어 열적⋅화학적 위험성이 확대되는 경향을 보였다. 이 중 가장 불리한 조건으로 확인된 매자닌 면적 2/3 모델을 대상으로 피난 시뮬레이션을 수행한 결과, RSET 이내에 온도와 가시도가 인체 허용한계를 초과하는 것으로 나타나 피난 안전성이 저하되는 것으로 평가되었다. 따라서 매자닌 구조가 존재할 경우 화재 확산 및 인명 대피에 중대한 영향을 미치는것을 확인하였다. 이는 현행 기준에서 매자닌 구조의 영향을 충분히 반영한 안전대책이 미흡한 실정이며, 향후에는 매자닌 구조를 포함한 대형 창고의 화재 하중 및 피난 안전성을 종합적으로 고려한 설계 기준과 방재 대책의 마련이 필요하다.