1. 서 론

선박 분야에서의 탈탄소 요구는 전지구적인 기후변화 위기에 대한 공동 대응과 함께 지속되었으며, 이에 대한 국제해사기구(IMO)의 조치는 더욱 급격해지는 추세이다. 이러한 탈탄소 흐름을 뒷받침하기 위한 연구도 활발히 진행 중이며 2023년 기준으로 전 세계에서 선박 분야 탈탄소 연구 373개 과제를 보면 Fig. 1과 같이 대형선박은 암모니아 연소·혼소를, 소형선박은 배터리와 수소 연료전지 등의 활용을 위주로 연구되고 있는 것으로 나타났다.

배터리와 수소연료전지 등에 기반한 소형선박의 전기추진에 의한 탈탄소 시도에는 배터리시스템이 동반될 것으로 예상되나, 노르웨이의 디젤-전기 하이브리드 여객선 Ytterøyningen 호의 2019년 10월 화재사고(Valøen et al., 2020) 및 Brim호의 2021년 3월 발생한 화재사고(NSIA, 2022) 등의 여러 사례에서 드러난 바와 같이 배터리시스템의 열폭주 및 화재는 충분히 현실적인 위험으로 다가오고 있으며, 이에 대한 대비가 필요한 실정이다.

본 연구를 수행하기에 앞서 조사한 바이러한 선박에서의 배터리 화재에 대응하기 위한 여러 연구가 있었다. 80kWh~ 200kWh급의 비교적 소형 배터리시스템의 선내 배치공간과 구조, 환경을 고려한 연구(Shin et al., 2022)를 통해 압축공기와 포말형 소화약제에 의한 배터리화재 대응이 검증되었으 며, 보다 근본적으로는 액침 냉각(Immersion cooling)을 통해 리튬이온 배터리의 열관리 효용성을 분석하고 열폭주 전이 억제 성능을 연구(Roe et al., 2022)하는 등 관련된 다수의 연구가 진행된 바 있었다.

상기의 연구가 개별적인 소화방안의 효용성을 검증하였다면, 본 연구에서는 보다 포괄적인 관점에서 현재 국내외의 관련 규정에서 요구하는 배터리 안전에 관한 설비를 조사하고, 국내 연안의 보편적인 소형선박 중 비교적 전동화가 용이할 것으로 판단되는 9.77톤급 소형어선을 선정하여 배터리 배치 공간을 추정하고 이에 대한 소화설비의 적용 가능성을 검토하여 소형선박에서의 배터리 화재에 적용 가능한 소화설비를 분석, 제시하고자 한다

2. 배터리 화재 안전 대응설비 규정 현황

국내외의 선박 내 배터리 안전에 대한 설비 기준을 조사하여 현재 요구되는 설비에는 무엇이 있는지를 먼저 조사하였다.

2.1 ^「전기추진 선박기준_」

현재 우리나라의 선박 관련 법령 중에서는 ^「선박안전법_」 의 하위 고시인 ^「전기추진 선박기준_」(Minstry of Government Legislation, 2025)을 통해 선박용 배터리시스템에 어떠한 설비를 요구하는지를 알 수 있다. ^「전기추진 선박기준_」에서는 전기추진선박의 배터리실에 연기탐지기와 고정식 소화 장치, 냉각을 위한 물분사 소화장치, 휴대식 분말소화기 또는 CO₂ 소화기 2개를 비치할 것을 규정하고 있으나 제2종선, 제4종선1)에 대해서는 충분한 용량의 무인기관실용 자동소 화장치로 대신할 수 있도록 규제를 완화하고 있다.

2.2 노르웨이선급(DNV)

DNV는 DNV Rules RU-Ships Part 6 Chapter 2 Section 1을 통해 Electrical Energy Storage, 즉 ESS에 대해 규정하고 있다. 해당 규정을 통해 배터리공간(EES Space)에 대한 열폭주 초기 감지, 화재 감지 및 소화설비 요건을 확인할 수 있으며, 열 폭주의 초기 징후 감지를 위해 BMS와 독립된 오프가스 감지설비를 천장과 바닥에 하나씩 최소 2개를, 화재 감지를 위해 고정식으로 연기와 열을 감지하는 FSS Code 요건을 충족하는 설비를 요구하고 있다.

또한 DNV는 이 규정을 통해 배터리공간에 배터리 화재를 소화시키거나 공간에 지속적인 냉각을 제공하고 제어할 수 있는 고정된 소화설비를 갖추도록 하고 있으며, 이러한 고정식 소화설비로는 IMO 지침(MSC/Circ.1165, MSC.1/Circ.1269, MSC.1/Circ.1386)에 의거한 수계 소화설비 또는 복합 시스템(Combined system)을 요구하고 있다.

여기서 복합 시스템이란 가스소화장치와 물분무소화장치의 복합 설비를 말하며, 가스소화장치는 최대무독성용량(NOAEL2))에 기준한 농축량을 제시하고, 100kWh 이상 용량의 배터리시스템에 대해 충전량을 2배 준비할 것을 요구하고 있다. 물분무 소화장치는 30분간 작동할 수 있는 청수가 준비되어야 하며 제곱미터당 분당 5리터의 유량 등의 요건이 함께 제시되어 있다.

2.3 노르웨이해사청(NMA)

노르웨이 선박 및 해역 내 외국선박 등을 감독하는 노르웨이해사청은 24미터 미만 선박에서의 배터리 안전에 대해 규정하는 회람 RSV 09-2022(NMA, 2022)을 발표하였다. 이 규정은 다른 규정과 달리 24미터 미만의 선박을 그 대상으로 하고 있어 본 연구의 주제에 가장 부합하는 내용으로 판단된다.

이 회람은 열폭주를 탐지하기 위한 오프가스 탐지기 등을 명시적으로 요구하지는 않으나, 안전철학(Safety Philosophy)에 대한 규정을 통해 배터리시스템이 설치되는 공간에 대한 모든 실제적, 잠재적 위험을 문서화할 것을 요구하는 것과 함께 배터리셀에 대한 요건으로 300리터 이상의 오프가스를 발생시키지 않을 것을 요구하여 이를 대체하는 것으로 판단된다.

한편 화재 감지설비 및 소화설비는 DNV의 규정과 유사한 요건을 규정하고 있는데, 화재 감지를 위한 연기, 열 감지기와 함께 IMO 지침에 의거한 수계 소화설비 또는 FSS Code를 만족하는 불활성가스나 CO₂ 소화설비를 요구하는 점은 유사하나 전장 15미터 미만의 어선, 화물선 등에 대해서는 기관실용으로 승인된 고정식 소화설비를 허용하는 점을 특징이라 할 수 있다. 이때 고정식 소화설비로 수계 소화설비를 사용할 경우 청수를 30분간 방출하도록 요구하며, 청수 방출이 종료된 이후 해수 전환은 선택 사항으로 명시하고 있다.

2.4 유럽해사안전청(EMSA)

유럽해사안전청이 `23년 11월 발표한 Guidance on the Safety of BESS on board ships(EMSA, 2023)는 SOLAS, FSS Code 등을 전제하지만 법적 구속력은 없는 지침이다. 그러나 스웨덴 등 일부 국가에서는 이를 법적인 승인 기준으로 활용하는 것으로 조사되었다.

본 지침에서는 배터리실에 오프가스 감지기와 연기, 열 감지기를 모두 요구하고 있으나 다만 그 수량과 위치 등은 설치, 연결방식 등을 고려하여 적절하게 하도록 하고 있다. 이러한 감지 설비들은 배터리에 의한 화재와 함께 배터리실(또는 공간) 외부 화재가 배터리로 전이될 징후를 조기에 식별하고 소화 절차를 자동으로 시작시킬 것을 함께 요구하는 점, 배터리가 랙(Rack)에 설치된 경우 랙 내부에 감지 설비를 요구하는 점 등이 특징이다.

또한 소화설비의 경우 배터리 용량에 따라 요건을 달리하고 있는데, 50kWh를 초과하는 경우 배터리실을 Machinery space A3)로 보고 소화 및 재발화 관리를 제공할 것을 요구하고 있다. 50kWh 미만의 경우 랙 형태의 시스템에 화염 분출을 막고 통합된 냉각, 탐지, 소화설비를 갖추도록 설계되거나 A60급 방화구획에 설치하도록 요구하고 있다.

소화수단으로는 가스계와 수계 소화설비의 혼용과 휴대용 소화기의 경우 소화약제가 최소한 배터리 모듈에는 침투할 수 있을 것을 요구하는 것 외에는 특정한 소화설비를 규정하고 있지는 않다. 다만 추가 권고사항을 통해 불활성 가스 소화설비의 경우 배터리실 전체 산소 농도를 11.3% 이하 로 낮출 것과 CO₂의 경우 FSS Code Ch.5를 만족할 것을 요구하는 등 명확한 요건을 함께 제시하고 있으며, 수계 소화설비의 경우 청수를 최소 30분간(권장 60분간) 방출해야 하며 부족할 경우 염수로 지속할 수 있을 것을 요구하고 있다.

2.5 국내외 설비 규정 정리

국내외의 선급, 해사청 등의 선박 내 배터리 안전을 위한 규정을 배터리 열폭주·화재 탐지와 소화 설비에 대하여 정리하고 각각의 요구 수준에 대한 정성적 평가를 함께 요약하면 다음 Table 1과 같다. 이때 정성적 평가는 설비 요건의 강도, 기능적 범위, 이중화·독립성, 검증 및 시험 등을 종합적으로 평가하여 부여하였다. 국내의 ^「전기추진 선박기준_」의 경우 일부 선박에 대해 요건을 크게 완화 적용하여 Low로 평가하였다. DNV의 경우 수계 소화설비에 대해 유량 값과 시간 등 정량적인 기준을 제시하고 가스계 소화설비의 경우 NOAEL 등에 대한 요건과 100kWh 이상의 배터리가 설비된 경우 소화약제를 두 배를 준비하도록 요구하는 등 강력한 요건을 규정하고 있어 High로 평가하였다. 한편 노르웨이해사청의 경우 DNV의 요건과 거의 유사하나 전장 15미터 미만의 어선, 화물선에 대해서는 완화 요건을 제시하고 있어 Medium으로 평가하였으며, 유럽해사안전청의 요건 또한 상세 요구조건이 명확하게 제시되어 있으나 완화적용할 수 있는 요건이 준비되어 있고 법적 구속력이 없는 지침이라는 점을 고려하여 역시 Medium으로 평가하였다.

이렇듯 국내외 규정을 검토하여 표로 정리해본 결과 세부적인 요건에 대해서는 국가별·주체별 차이가 있으나 대체로 선박에서의 안전한 배터리 운용을 위해서는 연기, 열 감지기와 고정식 소화설비 등 기본적인 탐지·소화 체계가 요구됨을 확인할 수 있다.

3. 소형선박 공간 분석을 통한 설비 적용성 검토

서론에서 밝힌 바와 같이 상대적으로 소형 선박에서는 배터리와 수소연료전지 등에 의한 친환경화를 연구, 시도하는 흐름이 있으므로, 소형선박에서의 안전한 배터리 운용을 위해서는 앞서 살펴본 각국 규정에서 요구하는 탐지, 소화설비 등의 소형선박에서의 적용성은 어떠한지를 검토할 필요가 있다.

3.1 소형선박의 범위

먼저 소형선박의 범위에 대해 검토하였다. 국내 법령에서의 소형선박이란 ^「선박안전법_」제2조 제11호에 규정된 바, 같은 법 제27조 제1항 제2호의 규정에 따른 측정방법으로 측정된 선박길이가 12미터 미만인 선박을 말한다. 또한 ^「어선법_」의 하위 고시인 ^「총톤수 10톤 미만 소형어선의 구조 및 설비기준_」제2조 제1호에 따르면 소형어선이란 총 톤수 10톤 미만의 어선을 말한다.

한편, 국내의 선박 통계상 일반선의 경우 2025년 5월 기준 5톤 미만 1,654척, 5톤 이상 20톤 미만은 1,271척이 존재하나 총톤수 10톤 미만의 소형어선은 2023년 기준 60,272척이 존재함을 고려할 때, 본 연구에서는 소형선박의 범위를 총톤 수 10톤 미만의 소형어선에 한정하여 고려하는 편이 합리적일 것으로 보았다.

3.2 소형선박에서의 배터리 배치

총톤수 10톤 미만의 소형어선에서의 배터리 소화설비 등의 적용성을 보기 위해서는, 먼저 배터리실 공간 배치를 고려할 대상 어선을 선정할 필요가 있다. 많은 전기추진선박의 경우 마찰·조파저항 등을 최소화하여 전기에 의한 운항 효율을 높이기 위해 선형부터 새로운 설계를 도입하여 기존의 재래식 선박과는 전체적인 형상부터 다른 경우가 많으나, 본 연구에서는 기존의 소형선박을 전동화함을 가정하기 위해 소형어선 가운데 적절한 현존선을 선정하였다. 현재 시판중인 ESS의 에너지밀도가 약 70Wh/l에서 110Wh/l 전후로, 중간 정도인 90Wh/l 정도의 에너지밀도를 갖는 500kWh 정도의 배터리시스템을 설비할 경우 배터리실은 최소 5.5㎥ 의 용적을 가져야 함을 고려할 때, 본격적인 추진용 배터리 시스템은 그 부피와 무게가 작지 않을 것으로 예측됨에 따라 소형어선 중 가장 큰 선박인 9.77톤급이 비교적 먼저 전동화가 시도될 것으로 판단하였다. 본 연구에서는 이를 고려하여 해양수산부에서 기존 어선의 안전성과 복지공간, 운항 및 작업효율 증대를 위해 도입, 고시한 안전복지형 표준어선을 검 토하였고, 이러한 표준어선 기준을 만족하는 9.77톤급 낚시 어선 도면을 현존선으로 선정하여 일반배치도와 중앙횡단면도, 복원성계산서 등을 검토하였다. 이로써 연안 소형어선의 범주 내에서 현실적인 배터리 배치 및 소화설비 배치 가능성을 일반적으로 검토할 수 있을 것으로 판단하였다.

Fig. 2와 같이 도면을 통해 각각의 용적을 계산해본 결과 선미부의 Store는 약 5.2㎥, 기관실 양현은 각각 3㎥, 선수의 Void space는 3.2㎥의 공간이 존재하는 것으로 확인된다. 본 연구에서는 배터리 배치 시의 중량 분포 등을 고려할 때 기관실 양현의 Void space4)가 배터리실로 적절할 것으로 보았다. 이때 이 Void space의 대략적인 크기는 일반배치도상 길이 3.5m, 폭 1m에 높이 0.875m로 측정된다.

3.3 고정식 소화설비 적용성

앞서 살펴본 각국 규정 중 고정식 소화설비로 일반적으로 요구되는 가스계 소화설비와 수계 소화설비를 현존선에 설비할 경우 각각의 작동에 필요한 약제의 양은 얼마인지를 계산할 필요가 있다.

가스계 소화약제 중 CO₂를 적용하고 국내 법령 ^「선박소 방설비기준_」제13조의 요건에 따를 경우 방호체적 3㎥의 30% 이상을 공급해야 하므로 CO₂는 0.9㎥ 이상 필요함을 알 수 있다. 표준 대기압에 섭씨 20도에서의 기체 상태의 CO₂의 밀도는 식(1)과 같다.

방호체적의 30%인 0.9㎥를 채우기 위한 액체 상태의 CO₂ 의 부피는, 액체 상태의 CO₂의 밀도가 770kg/㎥라고 할 때 식(2)와 같이 약 2.2리터로 계산된다.

한편, 가스계 소화약제 중 할로겐화합물 소화약제인 HFC-227ea의 필요량을 다른 기준인 ^「할로겐화합물 및 불활 성기체소화설비의 화재안전성능기준(NFPC 107A)_」에 따라 계산하고, 설계농도 8%와 섭씨 20도를 적용할 경우 식(3)과 같이 약 1.9kg으로 계산된다.

이 소화약제의 경우 소화설비로 저장할 때는 액화하여 저장하며, 이때 섭씨 20도에서의 액체 밀도가 1,407kg/㎥라고 할 때 HFC-227ea의 액체 부피는 식(4)와 같이 약 1.35리터로 계산된다.

가스계 소화설비의 소화약제량을 방호체적 3㎥에 대하여 계산해본 결과 1~2리터 정도의 소화약제로도 국내 기준상 필요한 양을 만족함을 알 수 있다. 이는 구체적인 소형어선의 설비 현황과 배치를 분석하지 않아도 충분히 구비 가능한 양으로 판단된다.

한편 수계 소화설비의 경우 앞서 살펴본 규정들 대부분이 청수를 사용할 것을 요구하고 있으므로, 소화를 위해 청수가 얼마나 필요한지를 계산해볼 필요가 있다. 이에 참고할 기준으로 국내의 ^「전기저장시설의 화재안전성능기준(NFPC 607)_」제6조 제2호를 적용할 경우, 전기저장장치가 설치된 실의 바닥면적 1㎡에 분당 12.2리터의 유량을 요구하고 있으므로 Void space의 바닥면적을 3.5㎡로 계산할 때 필요한 청수의 양은 식(5)와 같이 약 1,281리터로 계산된다.

이때, 현존선의 복원성계산서를 통해 확인한 결과 현존선의 경하중량이 20.2톤이고 만재입항시 최대 33.2톤의 범위 내에서 운항 중임을 고려할 때, Void space 한 쪽당 1.3톤 가량의 청수를 별도로 적재하는 것은 매우 비현실적일 것으로 판단된다.

4. 결 론

이번 연구를 통해 소형선박에서의 안전한 배터리 운용을 위한 각국의 규정을 비교·분석하고 일부 설비가 현실적으로 소형선박에 적용 가능한 지를 개략적으로 검토하였다. 이를 통해 일반적으로 많이 요구되는 배터리 화재 관련 설비들의 적용이 기술적으로는 가능할 것으로 판단되나 실제 어선의 운항 환경을 고려한 추가 환경시험 등을 통한 검증이 필요하다. 또한 소형어선 중 가장 큰 형태인 9.77톤급 표준어선 에서도 청수에 의한 수계 소화설비는 표준어선의 경하중량 범주를 고려할 때 매우 비현실적인 것이라는 결론을 도출함에 따라, 연안 소형선박에서의 안전한 배터리 운용을 위해서는 해수에 의한 소화설비를 연구하거나, 가스계 소화약제 등에 의한 조기 대응으로 대피시간을 확보하는 한편 육상과의 연계를 통해 안전을 확보하는 방안이 필요한 것으로 확인되었다고 할 수 있다.

또한 현재 국내의 소형선박의 대다수를 차지하는 어선의 전동화 사례가 없고, 소형선박의 전동화를 위한 요구 배터리 용량 추정 등 전기추진 소형선박 설계 데이터에 대한 접근이 부족한 이유로 소형선박의 배터리실에 대한 공간적 도출을 굉장히 제한적으로 수행하였고, 이에 기반한 소화약제 또는 청수의 요구량 계산 역시 보편적인 소형선박에서의 적용성을 검토하기에는 다소 부족한 부분이 있을 것으로 판단된다. 향후 소형 전기추진선박에 대한 더 많은 자료를 수집하여 보다 일반적인 소형선박에서의 안전한 배터리 운용을 위한 방안을 도출할 필요가 있을 것이다.