수소 취급설비의 화재·폭발 안전성평가 연구

Abstract

2008년 대체에너지산업 발전을 위해 정부에서 수립․발표한 ‘그린에너지산업 발전전략’에서는 성장동력화 9대 중점분야에 대한 구체적 실천계획이 제시되었다. 특히 수소분야는 연료전지차 보급 확대를 위해 대용량 수소충전소 설치․운영을 위해 2017년 까지 918억원을 지원하였으며, 2017년 현재 전국적으로 수소 취급설비는 총 1,287개 시설이 있고 이 중 수소연료전지차량용 수소충전소는 총 19개소가 있다. 최근 10년간 크고 작은 수소에 의한 화재․폭발 및 누출 사고가 총 12건 발생하였으며, 이중 대다수의 사고에서는 부상자 또는 사망자가 발생하였다. 최근 수소 연료전지차의 개발과 보급이 가속화되고 있고, 이에 따른 인프라 확대로 수소충전소가 지속적으로 증가되고 있다. 본 연구에서는 수소 취급설비 현황, 그간의 사고발생 현황 및 법적 규제현황, 고압의 수소를 취급하는 수소충전소의 폭발위험장소 종별 및 범위를 법적 사항인 KS C IEC 60079-10-1: 2015에 따른 산출과정에서 조건변수 변화에 따른 위험장소 범위를 산출하고 CFD(Computational Fluid Dynamics) 결과를 비교하여 조건변수 설정의 적정성을 평가하고, 수소 누출 사고 시나리오를 선정하여 피해영향을 평가하고자 한다. 수소 취급설비의 안전과 관련하여 일반적으로는 산업안전보건법과 고압가스안전관리법이 적용되어 관리되고 있고, 충전시설의 경우는 ‘융․복합, 패키지형 및 이동식 자동차충전소 시설 기준 등에 관한 특례기준’과 ‘고압가스안전관리법 시행규칙’에서 시설에 대한 기준을 별도로 정하고 있다. 특례기준에 따른 수소 충전기의 위험장소 범위는 ‘충전호스길이(m) + 1.0(m)’로 규정하고 있으나, KS C IEC 60079-10-1: 2015(장소 구분-폭발성 가스 분위기)에 따라 누출원 및 누출 특성, 누출등급, 누출구멍 크기 등을 변수로 하여 해당 지역의 폭발위험장소 등급 및 범위 설정의 적정성 검토를 실시한 결과, 누출구멍 단면적(mm2) 및 누출 유형(고속의 제트, 저속의 확산)에 따라 특례기준 대비 최대 약 7배 정도 폭발위험장소 범위가가 넓어짐을 확인할 수 있었다. 정확한 유체의 유동현상을 확인하기 위하여 실시한 CFD 분석 결과는 폭발위험장소 범위 1.6 m이며, 초과된 0.6 m는 충전호스의 거치 상태와 충전 시 “U”자 행태로 인한 거리 단축을 고려하면 특례기준에서 규정하고 있는 기술기준은 적합한 결론을 얻었다. 수소의 빠른 확산성, 매우 낮은 최소점화에너지 등의 특성으로 누출 시에는 화재․폭발 가능성이 높고, 큰 사고로 이어질 가능성이 매우 높다. 고압의 수소 분출 시 자기발화가 가능성이 높은 수소는 개방된 공간에서 누출될 때 즉시 점화하여 Jet fire가 발생한다. 누출 확산 시뮬레이션 결과를 보면, 누출원에서 일정거리까지 Jet effect가 일어나고, 끝나는 지점에서는 수소 증기운의 Built up 현상으로 증기운이 형성하여 이로 인한 증기운 폭발이 일어날 수 있으므로 점화 시점에 따라 Jet fire 또는 증기운 폭발이 일어날 수 있다는 점이 중요하다. 따라서 누출원 위치 별로 Jet effect를 고려하여 발생 가능한 Jet fire 또는 증기운 폭발에 대한 피해최소화 대책 수립이 필요하다. 건물 내부의 수소 압축기 배관에서의 누출은 누출 2초 정도에 건물 내부가 폭발범위에 들어 오며 2초 경과 후 점화될 경우 최대 과압이 13.21 kPa까지 형성되므로 건물 내부 설비의 파손에 의한 연쇄 폭발로 이어지고, 건물 외부의 다른 LPG 충전소, CNG 충전소 등에 영향을 미칠 가능성이 높아진다. 따라서 건물 내부의 누출은 피해최소화 대책에 앞서 원천적으로 수소 누출을 방지하거나 누출 감지 시 누출량을 최소화할 수 있는 인터록 시스템 등의 대책이 필요할 것으로 사료된다.