▲ 수소에너지사업단 김종원 단장(左)·정문선 사업팀장.

수소이용의 안전성 확보는, 여느 가연성 연료와 마찬가지로 보급을 위해 반드시 뒤따라야 하는 핵심기술이다.

일반적으로 알려져 있는 바와 같이 수소는 폭발범위가 넓고 폭발화염 전파속도가 매우 빠른 가연성 가스로서 제조, 수송, 저장시 누출, 확산, 점화 및 폭발 등의 위험성이 존재한다. 수소와 같은 가연성 가스와 관련되어, 국내의 선례 사고인 대구도시가스 폭발사고, 부천 가스충전소 폭발사고, 천연가스 CNG 용기파열사고 사례들에서 알 수 있듯이 가스가 사고로 전이되면 폭발압력 및 폭굉파의 속도 등에 기인하여 통상 약 15~30배 정도로 그 피해규모는 가중되고 사망·상해로 인한 인적손실, 생산 가동정지 및 재투입 비용증가로 인한 경제적 손실 등은 치명적이다.

따라서 가스를 안전하게 생산, 운용하기 위해서는 다양한 사고사례 분석, 물리적 메커니즘 규명, 안전성평가 및 사고 차단기술 개발 등과 같은 정성적, 정량적 안전기술 개발이 필수적이다. 수소설비의 안전성확보를 위한 안전성평가 및 리스크 감소를 위한 안전관리기술, 폭발방지 및 차단기술, 방호장치 개발 기술, 그리고 수소설비에 대한 안전관련 지침이나 규격 등은 수소가스의 에너지 이용기술 기반구축을 위한 선결 과제라고 할 수 있다.

수소에너지사업단에서도 1단계(2003년10월-2006년3월)의 연구를 통하여 수소사고 사례를 통한 수소사고의 물리적 현상에 대한 이론적 정립과 수소의 이용과정에서 발생될 수 있는 누출, 확산, 점화 및 폭발현상에 대한 실험적 관찰로 수소사고의 물리적 메커니즘을 파악하고, 수소 생산설비 및 이용설비의 위험성 및 사고빈도를 정량화하며, 사고시의 피해정도를 분석한 후 위험성을 예측하고, 이에 대한 안전관리기술 및 대책을 정립하여 코드를 개발하고 위험감소 및 최적관리 시스템을 구축하는 일을 시행한 바 있었다. 이후 이 과제는 혁신 본부의 조정으로 주무부처인 당시 산업자원부로 이관되어 ‘신재생에너지 기술개발 사업’으로 계속 수행됐다.

이 사업으로 추진한 기술개발사업에서는 기술개발의 실용화를 지원하기위한 안전기준 개발, 안전한 수소제조보급을 위한 안전성 검사 및 안전체계 확립 등 제도적인 법령체계 정비, 연료전지시스템의 인증 및 설치기준, 수소연료전지차량 연료시스템의 인증 및 설치기준, 수소충전소의 안전성평가 및 설치기준 등의 시설 및 기술기준 개발을 목표로 하고 있다.

■수소가스 특성

국내 수소가스 사고사례를 보면, 용기를 취급하는데 있어서 부주의로 인한 사고 즉, 인적오류가 중요한 부분을 차지하고 있다. 석유화학공장에서의 수소가스사고는 수소를 원료로 사용하고 있는 공정에서 수소침투에 의한 취성, 침식, 취급상의 부주의, 그리고 재질선정 잘못으로 인한 사고들이 발생한다. 수소용기 수송중의 사고는 수송 중에 용기가 넘어진다거나, 용기주변의 화재 등으로 발생한 사고이다.

다행스럽게도 대부분 폭발·화재사고로서 수소 취급량이 적기 때문에 큰 피해를 유발하지는 않았다. 그러나 수소를 에너지 매개체로 이용할 경우 대량의 수소가스가 누출될 수 있고 이때에는 1983년 스톡홀름에서 발생한 수소 가스운(gas cloud) 폭발사고와 같이 큰 폭발 피해가 발생할 수 있다. 일반적으로 수소는 연료가스로 사용되고 있는 메탄이나 프로판에 비하여 화염의 전파속도가 훨씬 크기 때문에 증기운 폭발압력도 매우 높다.

수소는 다른 탄화수소계열의 가스와 비교하여 물리적 특성이 매우 다르기 때문에 그에 따른 안전관리 방안 및 방재기술도 달라져야 한다. 구체적으로 수소가스가 다른 가스와 물리적으로 다른 점은 다음의 세 가지로 요약될 수 있다.

첫째는 강력한 반응성(Strong Reactivity)으로 수소는 단위무게당 발열량이 매우 크기 때문에 화염의 온도가 매우 높고, 또한 다양한 연쇄반응경로를 가지고 있어서 화학반응속도가 매우 빠른 기체이다. 거기에다 발광특성이 매우 약하기 때문에 관측이 어려운 점도 사고의 위험성을 증가시키는 요인으로 작용하고 있다.

둘째는 빠른 확산성(Fast Diffusion)으로 수소는 가장 가벼운 기체이므로 공기중에서 연소될 경우 열에너지보다 물질의 확산이 약 3배 정도 빨리 진행된다. 따라서 화염면으로 유입되는 화학에너지가 전도를 통해서 손실되는 열에너지보다 크기 때문에 일단 연소가 진행될 경우 초과엔탈피 현상에 의해서 화염을 소염시키기 매우 어렵게 된다. 또한 지금까지 화염의 희박가연한계 (Lean Flammability Limit, LFL)가 균일한 혼합기에 대해서 주로 측정되어 왔으나, 수소와 같이 물질의 확산이 빠른 기체에서는 난류 또는 농도구배가 있는 경우 LFL 보다 훨씬 낮은 농도조건에서도 연소가 진행될 수 있다는 실험적, 이론적 연구결과가 최근에 속속 제시되고 있어, 새로운 안전기준이 설정될 필요가 있다.

마지막으로 수소는 가벼운 기체이기 때문에 누출 즉시 부양확산(Buoyant Dispersion)되므로 개방공간에서는 증기운이 매우 빠르게 소산되기 때문에 안전면에서는 큰 도움이 되는 메커니즘으로 작용한다. 그러나 폐쇄공간에서는 천장쪽에 증기운이 축적될 수 있으므로, 이에 따른 적절한 방재대책이 수립될 필요성이 있다.

▲ 1995년 발생한 대구 도시가스 폭발사고 현장.

■수소가스 사고 막기 위한 최적 시스템 구축

통상적인 사고의 유형은 누출, 확산, 점화, 화재 및 폭발이 있다.

누출은 수소 장치나 시스템 내에서 주로 발생하며 액체로 누출되어 공기와 혼합될 때 큰 위험 상황이 발생할 수 있는데, 액체 수소가 대기 중의 열 공급으로 인해 안개(fog)상으로 변해 폭발이나 화재 영역이 넓어지기 때문이다. 주요원인으로는 가스켓(gasket)이나 실(seal)의 변형, 밸브 불량, 플랜지(flange)나 장치의 결함, 장치 재료 선택의 문제 등이 있다. 수소 누출을 검지하지 못할 경우 폭발로 이어질 수 있기 때문에 정기적인 수소누출 점검과 누출 차단 장치가 필요하다.

수소의 누출 시 만들어진 혼합물은 수평 확산이 제한적이고 부양하는 성질(buoyancy)을 지니고 있다. 비록 상온에서 포화 수소가 공기보다 무겁지만, 기화가 되면서 점점 가벼워지고 구름 형상으로 떠오른다. 이 구름상의 확산 바람의 속도, 방향에 의해 쉽게 영향을 받으며, 주위 구조물이나 대기 난류에 의해서도 영향을 받아 확산하게 된다. 저장 시설의 경우 많은 양의 수소가 누출되어 확산될 수 있으므로 많은 주의를 요한다. 따라서 누출을 지연, 억제 할 수 있는 안전장치는 필수적이다.

화재와 폭발은 수소 시스템의 다양한 점화원(ignition source)에 의해 발생한다.

대표적인 점화원으로는 급격한 밸브 차단으로 인한 스파크, 접지 불량, 전기장치에 의한 전하의 변화, 수소 장치 근처에서의 용접 및 절단 작업 등이 있다.

기상 수소는 누출되어 공기 중에 섞일 때 확산 속도가 크게 증가한다. 특히 액화 수소가 공기 중으로 누출될　때에는 빠른 속도가 증발되는데 이때 상당히 넓은 범위에서 가연영역(flammability area)을 형성한다.

수소는 모든 원소 중 가장 가볍기 때문에 장시간 사용 시 설비의 부식 및 취화의 가능성이 높다. 수소는 상온상압에서 금속재료에 대한 부식성은 없으나, 고온고압에서 강재 속의 탄소와 결합하여 탈탄작용을 일으킨다.

수소의 폭발사고 발생과정에 대한 보다 면밀한 물리적 특성을 이해함으로써 수소가스에 대한 새로운 안전기준을 설정할 필요가 있다. 또한, 수소 생산설비 및 이용설비의 리스크 감소 및 최적관리 시스템 구축을 위한 기반기술 확보가 필요하다.

수소안전기술의 도입에 있어서 보다 작은 재원으로 최대의 안전성을 확보하기 위해서는 보다 정교한 기술적 역량이 요구되며 이를 충족시킬 수 있는 기술개발이 요구되고 있다.

▲ 수소충전소 관련 사항.

H₂반응·확산성 커, 안전관리 시스템 구축 선결

수소E사업단, 안전인식 제고 위한 연구 집중

■세계 기술개발 및 주요 동향

세계 유수의 자동차 회사들이 2015년경이면 연료전지자동차의 시장 출시를 공언하고 있고 이에 맞추어 수소충전소와 같은 인프라를 확충하려는 노력이 일본, 독일, 미국, 우리나라 등에서 진행되고 있다. 이러한 일은 안전지침이 만들어지고 또 이에 맞추어 진행되어야할 필요가 있다. 이를테면 연료전지의 검사 및 시스템의 안전설치, 수소충전소의 안전검사 및 안전설치, 연료전지차량 연료공급시스템의 안전검사 및 기술 기준 등에서 가이드라인이 필요하다. 이용기기 및 가스의 취급부주의와 가스 충전중 운전자 오발진 및 충전기 충돌 사고 등 기존 주유소에서 일어났던 일이 수소충전소에서도 일어날 개연성이 있기 때문이다.

국내에서 수소연료전지 활용제품 및 시설에서의 규제 법률은 대부분 한국가스안전공사의 가스관계법의 의한 적용대상이다. KS규격에 대해서도 기술표준원을 중심으로 국제표준기구인 ISO TC 197 및 IEC/TC 105에 대응하면서, 작업이 완료된 국제표준을 KS기준으로 도입하고 있다.

수소가스를 효율적 에너지원으로 이용 및 실용화하는데 필수 선결 과제인 안전관리 시스템을 구축하기 위하여 수소사고사례 분석, 물리적 메커니즘 규명, 정성적, 정량적 안정성평가 및 사고 차단기술 개발 등과 같은 분석을 수행할 필요성이 제기된다.

먼저 국내 동향부터 살펴보면 수소사고 차단기술로는 수소검지센서, 수소취성 방지를 위한 재질의 선정, 화염방지기 기술개발 등이 있으며, 수소가스의 물리적 현상에 관한 기술로는 수소의 화학적·물리적 특성을 중심으로 한 수소의 화재폭발에 관한 연구에 집중되고 있다.

한국가스안전공사(수소·연료전지 안전성연구 사업)에서는 수소기기 및 설비에 대한 기술개발과 관련 안전기준을 개발, 제공하여 제품을 제조하고 보급하기 위한 안전 인프라 구축을 위한 연구를 하고 있으며, 주로 수소 활용 기기기 위험요수 분석 및 평가시스템 구축 수소 기기 안전성 및 재해 RISK 평가, 수소 누출 검지 및 안전장치 위험성 검증, 안전성 평가기법 확립 및 안전관리 시스템 구축, 연료전지, 충전소, 연료전지차량 안전기준 최적화 등을 연차별로 연구하고 있다.

한국과학기술연구원(수소충전소 적정 안전거리 설정을 위한 수소누출 및 화재 특성 DB 구축사업)에서는 수소안전에 대한 물리적 이해를 기반으로 수소의 높은 가연성의 특징을 고려한 수소 충전소의 안전거리 설정에 대한 연구를 진행중에 있다. 또한 대학 연구소를 중심으로 수소 설비에서의 정성적 위성 평가, 사고 빈도 분석 및 시나리오 개발을 정량적 위험성 평가, 수소 설비용 재료의 수소 환경 침입거동 등의 연구가 이루어지고 있다.

한국표준연구원에서는 수소안전동을 개소하여 수소안전 연구를 시작했으며, 수소안전관리기술에 대한 정보수집도 수행중이며, 수소안전 워크숍도 열고 있다.

해외에서는 우주산업의 발달로 수소를 취급한 경험이 많은 미국과 일본이 연구개발에 앞장서고 있다. 미국 에너지부(US-DOE)의 ‘수소·연료전지 및 기반기술’(Hydrogen Fuel Cell & Infrastructure Technologies : HFCIT)프로그램은 수소·연료전지 관련 연구 개발의 대표적인 사업으로 수소안전물성 데이터 구축과 더불어 수소 누출 감지기술 및 센서 개발에 역점을 두어 진행되고 있으며, 2010년까지 표준화 및 기술 규격 도입을 목표로 하고 있다. 주로 PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)와 SNL(Sandia National Laboratory)을 통해 수행되고 있는데, 주요 내용으로는 수소안전센터 구축, 사고에 대비한 응급 대처 교육, 수소안전 교육 인프라 구축, 수소사용처에 대한 안전성 평가, 수소누출 시나리오에 대한 연구 등이 있다.

또한, 일본 NEDO에서는 수소안전이용 등 기술개발 사업을 실시하고 있으며, 여기에는 고압수소용기 및 연료전지자동차의 안전, 누출되는 가스의 유량제어로 누출여부를 신속히 검지하고 누출을 차단하는 방법, 수소 폭발 사고시 인근 건물의 안전, 자동차 충돌시 수소충전소의 방호구조, 수소기초물성·수소용재료 기초물성·고정식 연료전지의 안전성 연구, 수소 인프라의 안전, 열전대식 수소센서 연구개발 등이 포함된다. 수소연료전지실증 프로젝트(JHFC)에서는 수소재료/절비/기기 안전성 검사센터 (Hy-SEF) 구축 및 관련연구를 수행하고 있다.

유럽은 유럽 수소안전 전문가네트웍 프로젝트(Hy-Safe)가 진행되고 있으며, 유럽 12개국과 캐나다의 24개 연구기관, 100여명의 연구원이 매년 700만 유로를 지원받아, HyApproval, Hylights, HyWays, Roads2Hycom 등의 안전지침, 수송용 수소실증, 인프라 및 로드맵 작성 세부프로젝트를 포함하고 있다.

▲ 수소적용처와 대응한 관계법(자료: 수소안전워크숍, 한국표준과학연구원, 현대자동차).

■휘발유보다 안전한 수소車, 안전 인식 재고해야

수소안전에 관련된 연구는 수소의 위험성에 대한 우려를 제거하여 일반인의 수소에 대한 인식 제고와 수소의 보급확대, 안전기준, 표준화 등과 직접적으로 관련이 있는 중요한 과제이다. 21세기 들어 그동안 다루지 않았던 분야 즉, 대량 누출 사고에 대한 안전 대책, 수소스테이션 등 인프라에서의 안전 문제, 수소자동차 도입에 따른 자동차 측면에서의 안전 문제, 연료전지 등 가정용 보급시 안전문제 등이 심도있게 검토되고 다루어지고 있다.

수소자동차가 휘발유 자동차 보다 상대적으로 화재에 안전하다는 실험 사례도 보고되고 있으며, 트럭에서 저장탱크로 액체수소 이송중, 수소누출로 인한 발라드사의 수소 수송용 트럭의 폭발사고 분석 결과 휘발유나 LPG 사고시 예측되는 것보다 훨씬 덜한 피해라고 말하고 있으나, 안전훈련과 대처 등 안전의 중요성은 경시될 수 없다.

어떠한 사고에 대한 가능성도 제거해야 하며 소비자에 대한 배려도 잊지 않아야 한다. 따라서 먼저 수소에너지라는 신기술을 다룸에 있어 절차와 과정이 명시되어야 하며 수소안전을 위해 사용자 측면의 자동화와 안전을 우선적으로 고려되어야 할 것이다.