산업통상자원부 고지 제2020-109호 ｢융･복합, 패키지형 및 이동식 자동차충전소 시설시준 등에 관한 특례기준｣에 따라 수소충전소는 제조식 수소자동차 충전소와 저장식 수소자동차 충전소가 있다⁶⁾.

또한, 수소자동차 충전에 필요한 설비(충전기는 제외할 수 있음)를 하나의 보호함에 장착한 충전시설을 일정한 장소에 배치하고, 수소자동차에 압축수소를 충진하는 패키지형과 필요한 설비(충전설비는 제외할 수 있음)를 차량에 탑재하고, 이동이 가능한 이동식 수소자동차 충전소가 있다⁶⁾.

이동식 수소자동차 충전소는 처리능력이 30 ㎥ 이상인(압축기 등 가압장치 없이 자압에 의해 충전하는 설비 제외) 이동식 수소자동차 충전소와 처리능력이 30 ㎥ 미만이거나 압축기 등 가압장치가 없이 자압에 의하여 충전하는 소규모 이동식 수소자동차 충전소로 구분할 수 있다⁶⁾.

이동식 수소충전소는 구동이 가능한 차량 적재함에 수소 충전 설비인 압축기, 압력용기, 충전기 등을 설치하여 이동이 가능한 수소자동차 충전소를 의미한다^4,5).

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 ｢융･복합 패키지형 및 이동식 자동차충전소 시설기준 등에 관한 특례기준｣⁶⁾에서 제시한 압력릴리프밸브, 가스검지경보기, 과류방지장치, 긴급차단밸브, 열작동식안전밸브 등 안전설비를 반영하고, 수소튜브트레일러, 압축설비, 압축가스설비(priority panel, 저장탱크), 충전설비(충전기, 냉각기) 등으로 구성된 이동식 수소충전소의 P&ID를 표준모델로 사용하였다^4,5).

Fig. 1. 
P&ID of mobile hydrogen refueling station⁵⁾

Fig. 1에서 바깥쪽 굵은 실선은 이동식 차량에 탑재된 설비로 수소튜브트레일러에서 공급된 수소(최대압력 20 MPa)는 압축설비에서 90 MPa의 고압으로 압축된 후 압축가스설비에 저장하고, 충전설비를 통해 약 35 MPa 혹은 70 MPa의 압력으로 수소자동차에 수소를 충전하게 된다⁴⁾. 그리고 P&ID에서 직사각형 테두리 영역(압축설비, 압축가스설비, 충전설비)은 설비 전문업체가 공급하는 패키지 설비로 해당 패키지 설비에 대한 P&ID, 사양 등은 기업의 비밀과 관계되는 자료이므로 본 연구에서는 제외하고, 관련 설비를 연결하는 시스템과 부속 설비의 구성요소에 대해서만 연구를 수행하였는데 수소충전소의 주요설비를 연결하는 배관 및 배관 부속품과 부속 설비의 종류 및 기능은 Table 1과 같다.

수소튜브트레일러에서 압축설비까지 배관 및 배관 부속품은 flexible hose (HOSE), pipe (PIPE), ball valve (BV), check valve (CV), gas meter (GM), reducer (RE), needle valve (NV), pressure gauge (PG), excess flow shutoff valve (EFV), emergency shutoff valve (ESV), safety relief valve (SRV)로 구성되어 있고, 수소를 공급해 주는 역할을 한다.

압축설비에서 압축가스설비(priority panel)까지 배관 및 배관 부속품은 pipe, needle valve로 구성되어 있고, 압축된 수소를 공급해 주는 역할을 한다.

압축가스설비는 priority panel과 저장탱크로 구성되어 있는데 관련 배관 및 배관 부속품은 pipe, needle valve, emergency shutoff valve, excess flow shutoff valve, thermal type safety valve (TSV), ball valve, safety relief valve, needle valve, reducer로 구성되며, 압축된 수소를 저장 및 충전설비로 공급해 주는 역할을 한다.

압축가스설비와 충전설비는 배관으로 연결되어 있고, 충전설비는 충전기와 냉각기로 구성되어 있다. 여기서, 냉각기는 충전기 수소의 온도를 낮추어 주는 역할을 한다.

차량에 탑재된 압축설비 및 priority panel, 저장 탱크 그리고 충전설비 사이는 방호벽으로 구분되어 있고, 각 영역에는 hydrogen gas detector (HGD)와 flame detector (FD)가 설치되어 있다. 또한, 비위험지역으로 구분된 냉각기 영역을 제외하고 전 영역의 전기기계기구는 방폭형 전기기계기구로 설치하고, 차량 상부에는 환기설비가 설치되어 있다.

위험성평가는 대상 공정의 유해･위험요인을 파악하여 감소시킬 수 있는 대책을 수립하여 개선하는 일련의 과정이다. 화학공정의 정성적 위험성평가 기법으로 preliminary hazard analysis (PHA), failure mode and effects analysis (FMEA), HAZOP 기법 등을 주로 사용하는데⁷⁾, 본 연구에서는 화학공정에 많이 사용되고 있는 HAZOP 기법을 사용하여 이동식 수소충전소의 안전성을 평가하고, 안전성 향상을 위한 개선대책을 제안하였다.

HAZOP은 위험성(HAZard)과 운전성(OPerability)을 결합한 용어로 공정에 존재하는 위험요인과 공정의 효율을 떨어뜨릴 수 있는 운전상의 문제점을 찾아내어 그 원인을 제거하는 위험성평가기법으로써 정해진 규칙에 따라 설계 의도, 설계도면, 각종 기술명세 등을 활용하여 위험성평가를 실시한다⁸⁾.

본 기법은 공정변수의 질이나 양을 표현하는 간단한 용어인 가이드워드(guide ward)를 사용하여 공정변수를 이탈시켜 공정의 위험성과 운전상의 문제점을 도출함으로써 공정의 모든 문제를 체계적으로 검토할 수 있을 뿐만 아니라 공정 설계 의도나 조건 등에 대한 상세히 설명을 제공할 수 있다^8,9).

본 연구에서는 Table 2와 같은 양식을 사용하여 설계 의도를 기준으로 도출된 공정변수에 가이드워드(guide words)를 조합하여 이탈을 발생시키고, 각 이탈에 대해 원인, 결과 및 현재 안전조치사항을 평가하여 허용 가능한 범위 내의 위험도(risk)일 경우 평가를 종료하고, 허용범위를 벗어 난 경우에는 개선사항을 제안하였다. 이때 제안한 개선사항을 반영한 위험도를 재평가하여 위험도가 허용범위 내에 있는 경우 위험성평가를 종료하고 허용범위를 벗어날 때에는 추가적인 개선사항을 도출하여 허용범위 이내가 될 때까지 평가를 계속하였다.

HAZOP 기법은 일반적으로 사고 발생 확률(occurrence)과 치명도(severity)의 곱으로 위험도를 추정하는데 본 연구에서는 주변 주민들의 이동식 수소충전소의 안전성에 대한 불신 등을 고려하여 안전성 기준을 향상하고자 위험도 추정 시 이탈 발생 시 이를 검출할 수 있는 정도(detectability)¹⁰⁾를 포함하였다. 즉, 위험도는 다음 식으로 산출하였다.

여기서, 사고발생확률, 치명도 및 검출할 수 있는 정도는 Tables 3-5¹⁰⁾와 같이 각각 5등급 척도로 하여 위험도(risk)를 평가하였다.

이동식 수소충전소는 2-3개 지역으로 이동해야 하므로 교통사고, 진동으로 인한 피로 누적 등으로 인해 수소가 누출될 가능성이 고정식 수소충전소보다 상대적으로 높을 수 있다. 또한, 주변 주민들의 이동식 수소충전소의 안전성에 대한 불신, 이동식 수소충전소 탑재 차량의 인구 밀집 지역 통과 그리고 이동식 충전소가 설치될 장소 주변의 변동 가능성이 높으므로 고정식 수소충전소보다 더 높은 안전기준의 적용이 요구된다.

따라서 본 연구에서는 수소튜브트레일러, 압축설비, 압축가스설비 및 충전설비로 구성된 이동식 수소충전소에서 해당 설비를 연결하는 시스템(배관 및 배관 부속품)과 부속 설비에 한정하고 위험성평가를 실시하였다.

즉, 수소튜브트레일러, 압축설비, 압축가스설비 및 충전설비는 제작업체에서 패키지로 공급되고, 제작업체에 따라 상세 P&ID, 사양 등에 차이가 날 수 있으므로 관련 설비의 안전성에 대해서는 본 연구에서 제외하고, 이러한 패키지 설비를 차량에 탑재 시 범용적으로 적용할 수 있는 관련 설비를 연결하는 시스템과 부속 설비의 안전성 향상에 중점을 두고 연구를 수행하였다.

본 연구에서는 전문업체에서 공급하는 패키지 설비를 제외하고 관련 설비를 연결하는 배관과 배관 부속품에 대해 수소 누출 가능성을 염두에 두고 위험과 운전분석을 실시하였는데 위험성평가 결과의 주요 내용을 정리하면 Table 6과 같다.

이동식 차량에 탑재된 수소충전소의 연결 배관 및 배관 부속품의 위험과 운전분석을 위해 Fig. 2와 같이 수소튜브트레일러와 압축설비 연결 구간, 압출설비와 압축가스설비(priority panel과 저장탱크) 연결 구간, 압축가스설비 내부 priority panel과 저장탱크 연결 구간, 저장탱크와 vent header 연결 구간, 압축가스설비와 충전설비 연결 구간으로 총 5개의 노드(node)로 구분하고, 각 노드별로 HAZOP 분석을 실시하여 이동식 수소충전소의 안전성 향상 방안을 제안하였다.

Fig. 2. 
Node classification for HAZOP analysis

수소튜브트레일러와 압축설비 연결 구간(노드 1)에는 배관(LINE 01)에서 수소가 누출될 경우 수소 누출을 차단하기 위해 긴급차단밸브(ESV 01, 02) 2개가 설치되어 있는데 CV 01, GM 01, NV 01 등에서 수소가 누출될 경우 그 기능을 수행할 수 없으므로 긴급차단밸브 2개 중 1개는 수소튜브 트레일러에 근접할 수 있는 BV 01 후단으로 이동하여 설치한다. 또한, 압력릴리프밸브(SRV 01)가 고장 날 경우 그 기능을 수행할 수 없으므로 압력릴리프밸브 2개를 설치하고, 배관 배출구(LINE 02)에서 수소가 배출될 경우 수소가 이동식 수소충전소 탑재 차량 내부에 체류할 수 있으므로 배관 배출구는 vent header (LINE 17)로 연결한다. 그리고 배관(LINE 01)의 유량과 압력이 정상 운전조건을 벗어난 때 관리자가 신속히 조치를 취할 수 있도록 flow alarm low/high (FAL/H)와 pressure alarm low/high (PAL/H)를 설치한다.

압축설비와 압축가스설비 연결 구간(노드 2)에는 수소가 압축설비로 역류하는 것을 방지하기 위해 배관(LINE 04)의 BV 04 전단에 check valve를 설치한다.

저장탱크와 vent header 연결 구간(노드 4)에는 vent header의 배출구가 탑재 차량 내부에 설치될 경우 배출된 수소가 이동식 수소충전소 탑재 차량 내부로 확산되어 화재･폭발사고가 발생할 수 있으므로 vent header의 배출구는 차량 상부의 외부에 위치하도록 하고, 고압의 수소가 분출될 경우 vent header의 배출구에서 정전기로 인해 화재가 발생할 수 있으므로 배출구에는 정전기 방지링을 설치한다. 또한, vent header에서 설치된 BV 08이 열리거나 샐 경우 수소가 탑재 차량 내부로 누출되므로 BV 08에는 플러그나 캡을 체결한다.

그리고 탑재 차량에 설치된 가스검지기가 각 영역에 1개 설치되어 있어 가스검지기가 고장으로 인해 수소가 누출되지 않은 상태에서 설정값을 나타낼 때는 긴급차단밸브가 닫혀 이동식 수소충전소의 기능을 수행할 수 없게 되고, 반대로 가스검지기가 고장으로 인해 누출된 수소를 검지하지 못할 경우에는 대형 화재･폭발사고가 발생할 수 있다. 따라서 이동식 수소충전소의 기능을 유지하고, 안전성을 동시에 확보하기 위해 각 영역에 가스검지기를 3개 설치하고, 3개 중 2개 이상이 설정값을 나타낼 때 긴급차단밸브를 작동하도록 시스템을 개선한다.

또한, 긴급차단밸브(ESV 01-08)는 누출된 수소 농도가 설정값이 되면 자동으로 차단되는데 수소농도가 설정값 미만이라도 관리자가 수동으로 수소 누출을 차단할 수 있도록 이동식 수소충전소 외부에서 원격으로 조작할 수 있는 조작스위치를 설치한다.

마지막으로 수소튜브트레일러와 수소자동차 정차지점에 수소가 추출될 경우 관리자가 즉시 조치할 수 있도록 해당 지점에 가스검지기를 설치하고, 가스경보기는 관리자가 상주하는 곳에 설치한다.

배기설비는 항상 작동하게 설정하는 것이 바람직하다. 그러나 항상 작동하지 않을 경우에는 가스검지기가 일정한 값(긴급차단밸브의 설정값보다 적은 값)을 나타낼 때 배기설비가 작동하도록 연동한다.

이상의 위험성평가 결과 개선사항(구름마크로 표기)을 표준 이동식 수소충전소에 반영하여 안전성이 향상된 이동식 수소충전소의 P&ID는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3. 
P&ID of mobile hydrogen refueling station reflecting HAZOP analysis results