전기차 화재, 제대로 봐야 한다①

인천의 청라 벤츠 전기자동차 화재, 포르투갈 테슬라 전기자동차 화재 등 충격적인 전기자동차 화재가 잇따르면서 전기자동차 화재에 대한 사회적 관심이 커졌다. 근거 없는 과도한 주장으로 전기자동차에 대한 공포를 키우는 것도 문제이지만, 전기자동차에 편향된 옹호도 바람직하지 않다. 정확한 분석과 대책 마련이 필요하다. 이번 칼럼에서는 전기자동차 화재에 대해 다각도로 살펴보고, 대책을 모색한다.

전기자동차가 불이 더 잘나나?

지난 8월18일 소방청은 지난 5년간 자동차 유종별 화재 현황을 발표했는데, 그 내용은 아래 표와 같다.

2023년 화재 발생 건수를 지난해 말 누적 등록 대수를 기준으로 화재 발생률을 계산하면 하이브리드차는 0.002%, 전기자동차는 0.013%이고, 휘발유와 경유 차량은 각 0.006%, 0.015%다. 언론들은 이를 근거로 하이브리드차의 화재 발생률이 가장 낮고 경유차의 화재 발생률이 가장 높다고 보도했다. 전기자동차의 화재 발생률은 휘발유차의 두 배가 넘는다.

전기자동차 화재에 대한 사회적 관심과 우려가 집중된 상황에서 다수의 상식에 부합하는 아름다운 결론이 아닐 수 없다. ‘역시 전기자동차는 위험해. 하이브리드차가 대안이야.’ 과연 그럴까?

<국내 자동차 유종별 화재 현황 1(24.8.18. 발표 자료)>

지난 해 소방청 국립소방연구원이 발간한 전기자동차 화재대응 가이드에는 다음과 같은 표가 실려 있다.

<국내 자동차 유종별 화재 현황2 (2023년)>

2019~ 2022년 전기자동차 화재 건수를 8월 18일 발표 자료와 비교해보면, 2019년은 3건과 7건으로 차이가 나지만, 2020년은 11건, 2021년은 24건으로 동일하고, 2022년은 44건과 43건으로 한 건 차이가 난다. 그런데 내연기관차(휘발유+경유) 화재 건수는 ▲2019년 2165 대 4707, ▲2020년 2152 대 4547, ▲2021년 2053 대 4506, ▲2022년 2133 대 4625로 큰 차이를 보인다.

지난 8월 18일 발표된 내연기관차(휘발유+경유) 화재 건수가 지난해 발간자료에 있는 화재 건수의 반도 안된다. 지난해 발표 자료에 따르면 세간의 인식과 달리 전기자동차가 내연기관차에 비해 화재 발생률이 낮으나 올해 발표 자료에서는 역전된다.

어떻게 이럴 수 있을까? 차량 분류 기준이나 취합 방법이 달라졌다고 해도 이런 차이가 생길 수는 없다. 분명한 해명이 필요하다. ‘하이브리드차가 제일 불이 적게 난다’는 기사는 열심히 냈지만, 이에 대해 문제제기하거나 이유를 취재해 알린 언론은 단 한 곳도 없다.

일단 여기서는 가장 최근에 발표된 자료인 8월 18일 자료가 정확하다고 보고, 전기자동차를 옹호하는 사람들이 애용하는 미국 데이터와 비교해보자. 이 자료는 AutoInsuranceEZ라는 자동차 보험 비교 서비스 제공 회사에서 National Transport Safety Board(NTSB: 미 연방교통안전위원회)와 The Bureau of Transport Statistics(BTS)의 데이터로 분석한 것이다.

이 자료에 따르면, 하이브리드차의 화재 발생률이 3.47%로 가장 높고, 가솔린차는 1.53%이며, 전기자동차는 0.025%에 불과하다. 국내 데이터와 비교하면, 전기자동차는 0.013%(국내) 대 0.025%(미국)로 비슷한 수준이나, 휘발유차는 0.006% 대 1.53%로 차이가 크다. 그리고 하이브리드차의 화재 발생률 차이는 극명해서 0.002% 대 3.47%이다.

<미국 자동차 유종별 화재 현황>

하이브리드차는 한국에서는 불이 가장 적게 나는 차인데, 미국에서는 가장 많이 나는 차라는 것이다.

통계상 차이가 생길 수 있는 한 요인은 PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)이다. 지난 2021년 미국에서 팔린 하이브리드차는 79만 8,992대이고, PHEV는 17만 3,457대, 전기자동차는 45만 9,426대이다(BTS). 반면 한국에서는 PHEV가 거의 판매되지 않는다. 그러나 PHEV 존재 유무만으로 설명하기에는 한미 양국의 데이터 차이가 너무 크다. 다른 차에 비해 하이브리드차의 화재 발생률은 왜 이렇게 낮은가 혹은 높은가? 국내 데이터든, 미국 데이터든 하이브리드차의 화재 발생률에 대해서는 심도 있는 분석이 필요하다.

‘미국’ 데이터라고 해서 무조건 믿을 수는 없고, 어느 기간 동안 발생한 화재를 분석한 것인지 같은 기본적인 설명도 없어서 원자료를 확인하기 위해 AutoInsuranceEZ가 화재 데이터를 가져왔다는 NTSB 데이터와 홈페이지를 탐색했으나 유사한 자료를 찾을 수 없었다.

EV FireSafe에 따르면, 전기자동차에 비해 불이 덜 난다는 근거 자료로는 AutoInsuranceEZ 분석 외에 “2012년~2020년 미국에서 1900만 마일 주행 당 한 대 꼴로 화재가 발생했지만, 테슬라 차량은 2억500만 마일 주행 당 한 대 꼴로 화재가 발생했다”는 테슬라의 주장(2020 Impact Report, 40)과 중국에서 신에너지차의 화재 발생률은 1만대 당 0.9건으로 가솔린 차량의 화재 발생률 1만대 당 2건에 비해 낮다는 주장 등이 있다. 전기자동차가 내연기관차에 비해 불이 더 잘 나는지 여부는 현재로선 명확한 결론을 내릴 수 없다.

전기자동차가 내연기관차에 비해 불이 더 잘 나는지 여부 못지않게 중요한 것은 전기자동차의 화재 발생률이 증가하고 있다는 점이다. 8월 18일 소방청 발표 자료를 근거로 화재 발생률 차이를 살펴보면, 내연기관차와 하이브리드차는 낮아지고 있으나, 전기자동차는 높아지고 있다. 특히 2000년을 기점으로 가파르게 증가하고 있다. 그 이유가 뭘까?

더 정밀한 분석이 필요하겠지만, 필자의 추론으로는 지난 몇 년 사이 치열해진 항속거리 경쟁으로 차량에 장착되는 구동용 고전압 배터리의 양이 증가한 것이 주요 원인인 것 같다. 배터리 양이 증가하면 셀의 수가 많아지고 제한된 공간에 밀집되기 때문이다.

전기자동차 화재가 더 위험한가?

주차 중 화재 발생 빈도: 전기차가 내연기관차에 비해 높아

지난 8월 18일 소방청이 발표한 지난 5년간 차량 장소별 화재 현황(아래 표 참조)을 보면 모든 유종에서 일반도로 차량 화재 건수가 가장 많았다. 휘발유차는 1900건, 경유차는 2724건, 전기자동차는 64건, 하이브리드차는 67건이다. 경유차는 고속도로가 1413건으로 2위였으나, 다른 차들은 주차장이 2위였다.

주차장에서의 화재 발생 비율은 전기자동차가 35.7%로 특히 높았고, 다음으로 하이브리드차가 20.6%, 휘발유차는 17.0%, 경유차는 12.3%였다. 구동용 고전압 배터리와 주차장에서의 화재 발생 비율 사이에 연관이 있음을 짐작할 수 있다.

공지에서 발생한 화재도 주차 중 발생한 화재일 가능성이 크므로 주자창과 공지에서 발생한 화재를 합산하면 휘발유차는 화재 건수 927건(화재 발생 비율 23.9%), 경유차는 각각 1,810건(26.7%), 전기자동차는 72건(45.9%), 하이브리드차는 39건(29.8%)이다.

<자동차 유종별‧장소별 화재 현황(2019~2023년)>

이제 구동용 고전압 배터리 화재로 좁혀서 살펴보자. EV FireSafe 연구팀이 2010~ 2024년 6월 30일까지 세계적으로 발생한 구동용 고전압 배터리(BEV + PHEV) 화재(열 폭주 발생) 511건을 검증한 결과를 보면, 야외 주차 중 173건(33.9%), 실내 주차 중 117건(22.9%), 야외 주행(30.3%) 155건, 장소 불명이 67건(13.1%)이었다. 구동용 고전압 배터리 화재는 주차 중 발생이 56.8%로 가장 많은 것이다.

더 우려스러운 것은 전기자동차의 주차 중 화재 발생 빈도가 높아지고 있다는 것이다. 소방청 국가화재정보센터에 따르면 지난 2021년에는 10만 대당 4.3대 꼴로 주차 중 화재가 발생했는데, 재작년에는 4.6대, 지난해에는 6.3대로 점점 더 높아지고 있다. 그래서 지난 3년(2021~2023년) 동안 발생한 전기자동차 화재 총 139건 가운데 주차/충전 중에 발생한 화재는 모두 62건으로 44.6%에 이른다. 반면 전기자동차가 아닌 차(내연기관을 가진 모든 차)의 주차 중 화재 발생 빈도는 지난 2021년에는 10만 대당 3.5대, 2022년에는 4.0대, 2023년에는 3.9대였다. 전기자동차에 비해 상당히 낮고, 증가 추세도 아니다.

주차장에서 발생하는 화재는 초동 대처가 어려울 가능성이 크고, 인접 차량으로 화재가 번져 큰 피해가 발생할 수 있다는 점에서 심각한 유형의 화재이다. 그래서 주차장에서 화재가 발생하는 빈도가 높다는 점에서 보면 전기자동차 화재는 내연기관차에 비해 더 위험하다.

발생 빈도는 전기자동차보다는 낮지만 내연기관 차량의 보급률이 더 높기 때문에 주차 중 화재 발생 건수는 내연기관 차량이 전기자동차보다 압도적으로 많다. 소방청 국가화재정보센터에 따르면, 지난 2021년부터 2023년까지 지난 3년 동안 발생한 내연기관차(내연기관을 가진 모든 차)의 주차 중 화재는 모두 2,911건으로 전기자동차에 비해 약 47배이다. 전기자동차 보급과 별개로 주차 중 차량 화재에 대한 대응은 중요하다.

화재 양상: 전기차 화재가 더 위험하다

전기자동차는 화재 양상은 내연기관차가 다르다. 내연기관차는 승객실 앞쪽에 있는 엔진룸에서, 전기자동차는 승객실 바닥에 있는 구동용 고전압 배터리에서 발화하는 것이 전형적이다. (물론, 모든 자동차 화재가 엔진룸이나 고전압 배터리에서 시작되는 것은 아니지만, 이 글의 목적은 내연기관차와 전기자동차의 화재를 비교하는 것이므로 논외로 한다.)

내연기관차의 주요 가연물은 엔진룸 내부 구성품 및 연료, 실내 내장재로 구성되어 있고, 내연기관차 화재의 화염은 주로 위로 향한다. 반면 전기자동차의 주요 가연물은 고전압 배터리 및 실내 내장재로 구성되어 있으며, 고전압 배터리에서 발생된 화재의 경우 화염이 수평으로 진행하는 경향이 있다. 따라서 배터리 특성 및 충전상태와 구조 등에 따라 차이는 있지만, 전기자동차가 내연기관차에 비해 화재 전이 속도가 빠르다.(국립소방연구원, 2023)

주요 화재 발생 위치와 화염 방향, 다른 자동차로의 화재 전이 속도 측면에서는 전기자동차 화재가 내연기관차 화재에 비해 더 위험하다.

<내연기관차(좌)와 전기자동차(우) 화재 양상 비교>

화재 진압의 어려움: 전기차가 더 진화하기 어렵다

리튬이온 배터리 화재의 직접적인 원인은 배터리 셀 분리막 손상에 따른 내부 단락이다. 리튬이온 배터리의 전해액은 가연성 물질이며, 내부 단락이 되면 양극재로 사용되는 리튬금속산화물에서 산소가 발생하고, 셀이 고열 상태에 이르면 열 폭주가 일어나게 된다. 배터리 셀 내부에서 연소의 3요소– 가연성 물질, 산소, 고열이 자급되므로 산소 차단과 같은 전통적인 방식으로는 화재 진압이 어렵다. 외견상 꺼진 것처럼 보였어도 다시 발화하기도 하고, 소화까지 걸리는 시간이 길며, 소방수 등 소화에 필요한 자원이 많다.

그래서 전기자동차 화재가 내연기관차 화재에 비해 더 위험하며, 많은 사람들이 공포를 느끼는 것이다. 지금 필요한 것은 전기자동차 화재가 내연기관차 화재에 비해 덜 위험하다는 주장이 아니라 전기자동차 화재에 효과적인 예방책과 소방방법을 마련하는 것이다.

실차 화재 비교 실험 - 최대열방출률과 총열방출량

전기자동차 보급이 확산됨에 따라 전기자동차 화재에 대한 연구도 중요해졌다. 전기자동차와 내연기관차 화재를 비교 실험한 결과를 살펴보자. 우선 화재시 발생하는 최대열방출률(peak Heat Release Rate)과 총열방출량(Total Heat Released)을 비교해보자. 열방출률이란 단위 시간당 방출하는 열의 양이고, 총열방출량은 전소 때까지 방출하는 열의 총량으로, 이 두 개념은 화재 위험 정도를 나타낸다고 할 수 있다.

Kang 등(2023)은 다음과 같이 6개의 화재 실험을 했고(Table 2), 각각의 실험에서 얻은 최대열방출률과 총열방출량은 Table 4에 정리되어 있다. 먼저 총열방출량을 보면, 전기자동차의 경우 리튬이온 배터리의 총열방출량보다 (리튬이온 배터리를 제외한) 차의 총열방출량이 훨씬 크다. 그리고 당연히 배터리 용량이 큰 경우(64.1kWh)가 작은 경우(39.2kWh)에 비해 총열방출량이 크다.

이 논문의 결과표에서는 전기자동차가 내연기관차보다 총열방출량이 큰 것으로 되어 있으나, 내연기관차에 충전된 연료량이 나와 있지 않아 이 부분에 대한 판단은 어렵다. 다음으로 최대열방출률을 보면, 내연기관차> 고용량 배터리(64.1kWh)> 전기자동차 저용량 배터리(39.2kWh) 전기자동차 순으로 최대열방출률이 크다.

결론적으로 최대열방출률과 총열방출량 관점에서는 리튬이온 배터리보다 (리튬이온 배터리를 제외한) 차 자체의 기여가 훨씬 크며, 전기자동차 화재와 내연기관차 화재의 위험성은 유사하다. 즉 위험하기는 마찬가지이다.

실차 화재 비교 실험 - 실내 최고 온도

화재 위험 비교와 관련해 종종 인용되는 최아영 등(2021)이 수행한 ‘전기자동차와 가솔린자동차의 실물화재 비교 분석’ 논문에서 주목해야할 것은 아래 그래프에 있는 외부 및 실내 온도 비교가 아니다. 아래 그래프는 측정된 외부 온도의 평균값과 내부 온도의 평균값을 비교한 것이다.

가솔린자동차의 내부 온도는 엔진 부분, 보넷(Bonnet), 차량 실내의 운전석과 조수석 사이, 상단과 하단 부분 총 5곳에 측정한 온도의 평균값이고, 전기자동차의 내부 온도는 차량 엔진, 보넷, 차량 실내(운전석과 조수석 사이), 상단과 하단, 배터리 등 6곳에 측정한 온도의 평균값이다. 그다지 큰 의미가 없기 때문에 논문에도 간단히 언급되어 있을 뿐이다.

더 중요한 것은, 그리고 논문에서 자세히 다루는 것은 이 부분이다. ‘가솔린 차량의 측정된 내부 온도 데이터는 실내> 차량 상단> 엔진> 보넷> 차량 하단 순으로 높은 온도가 측정되었고, 내부 측정된 데이터 중 가장 높은 온도로 측정된 내부(운전석과 조수석 사이) 온도는 최대 1,362.9 ℃까지 측정되었다. 특히, 차량 실내 온도가 가장 높게 측정된 이유는 연소 되어질 가연물이 가장 많기 때문으로 추정된다.’

또 ‘전기자동차 점화가 시작된 시점부터 연소가 끝날 때까지 총 6곳의 측정된 내부 온도 데이터를 보면 실내> 배터리> 보넷> 엔진> 차량 상단> 차량 하단 순으로 높은 온도가 측정되었고, 내부 측정된 데이터 중 가장 높은 온도로 측정된 실내 온도는 최대 1,362.0 ℃까지 측정되었다.’ 즉 가솔린자동차의 실내 최고 온도와 전기자동차의 실내 최고 온도가 거의 같았고, 둘 다 위험하다는 점이다.

사실 이 실험은 전기자동차는 만충했으나, 가솔린차는 가솔린을 3리터(ℓ)만 채웠고, 발화지점을 동일하게 우측 뒷바퀴 쪽으로 잡았으나, 이 지점에서 화재 발생이 드물다는 점에서, 즉 전기자동차는 고전압 배터리에서, 가솔린차는 엔진룸에서 발생하는 것이 더 전형적이라는 점에서 실험의 타당성에 의문이 간다.

게다가 저자들 스스로 밝혔듯이 ‘화재위험성에 대하여 알아보기 위해 연소 온도를 측정하였으나, 강한 바람에 의해 화염이 특정 방향으로 이동하면서 데이터 편차가 있었다.’ “또한, 높은 열로 인해 일부 센서가 오류(BURN OUT) 등으로 온도 데이터 취득 제한이 되는 한계가 있었다.” 이 논문의 결과로 ‘가솔린자동차의 실내 최고 온도와 전기자동차의 실내 최고 온도가 사실상 같은 수준이고, 둘 다 위험하다’는 것 외에 전기자동차와 가솔린자동차의 화재 위험성을 비교하는 것은 무리다.

지금까지 논의를 바탕으로 전기자동차 화재에 대해 정리해보자. 우선 전기자동차의 화재 발생률이 내연기관차나 하이브리드차에 비해 더 높은가에 대해서는 현재로선 명확한 결론을 내릴 수 없다. 분명하고 중요한 것은 전기자동차의 화재 발생률이 증가하고 있다는 점이다. 그리고 주차 중 화재 발생 빈도, 화재 양상, 화재 진압의 어려움, 최대열방출률과 총열방출량, 실내 최고 온도 등을 종합적으로 고려하여 비교하면, 전기자동차 화재와 내연기관차 화재 모두 위험하지만, 현재 시점에서는 전기자동차 화재가 내연기관차 화재에 비해 더 위험하다. ②에서 이어감.

주요 참고 자료

소방청 국립소방연구원. 2023. [전기자동차 화재대응 가이드].

최아영‧이수호‧박태희‧김형식. 2021. 전기자동차와 가솔린자동차의 실물화재 비교 분석. [한국방재학회 논문집], 21(6), 119-124.

Kang, S., Kwon, M., Choi, J. Y., & Choi, S. 2023. Full-scale fire testing of battery electric vehicles. Applied Energy, 332, 120497.

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