전 세계적으로 수소 차량 보급이 확대됨에 따라 수소 충전소 구축 확대 계획이 수립되고 있다. 해외 주요국 중 현재 수소 충전소 분야에서 가장 먼저 수소 로드맵을 수립하고 수소 충전소를 구축하고 있는 일본은 2018년 말 100개의 수소 충전소가 구축되었으며, 2025년 1,000개, 2030년까지는 5,000개 구축을 목표로 하고 있다. 미국의 경우 2020년 수소 산업에 대한 로드맵을 발표하였으며, 2022년에 165개, 2025년까지는 1,000개, 최종적으로 2030년에는 4,300개를 구축할 예정이다. 유럽은 2015년까지 유럽 10개 도시에 수소 충전소 100개를 구축하였으며, 2020년에는 수소 차량 50만 대를 충전할 수 있는 1,000개의 수소 충전소를 구축하였다. 그리고 특히 유럽에서 수소 충전소 구축과 수소 전기 차량 보급을 적극적으로 추진하는 독일의 경우 2020년 373개, 2028년까지는 992개를 구축할 계획이다. 국내에서도 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 통해 수소 충전소 구축 계획을 수립하고 있으며, 2021년 6월 30일까지 97개의 수소 충전소를 구축하였다. 국내의 경우 Fig. 1과 같이 경기 지역이 수소 충전소가 가장 많았고, 울산, 경남, 충북, 충남 순으로 수소 충전소가 배치되어 있다^1,2,4).

Fig. 1. 
Number of hydrogen refueling stations in South Korea

국내의 경우 수소 충전소는 수소 튜브 트레일러를 통해 보급하고 있으며, 평균 충전 용량은 약 250 kg으로 하루에 약 50대의 수소 전기차(5 kg/1대) 충전이 가능하다. 수소 전기차에 수소를 충전하기 위해서는 990 bar 이상의 압력이 필요하며, 수소 저장 탱크의 용량은 최소 125 L에서 최대 1,000 L까지 매우 다양하다^19,20). 수소 충전소의 고압 수소 저장 탱크 화재 및 폭발 발생 시 탱크 용량에 따라 인적·물적 피해 범위, 도미노 효과에 의한 2차 피해 및 안전거리가 달라지기 때문에 본 연구에서는 국내 수소 충전소의 누출 빈도 데이터, 결과 분석, 바람장미를 활용하여 정량적 위험성 평가를 통해 휴게소 수소 충전소의 사회적 위험성과 F-N 곡선을 확인하였다.

수소는 가연성 가스로 저장 탱크의 천공으로 인해 고압의 수소 가스가 외부로 누출될 경우 점화원에 의해 제트 화재가 발생할 위험이 있다²¹⁾. 제트 화재에서 발생된 복사열은 인적 및 물적 피해를 야기하며, 도미노 효과에 의해 화재, 폭발과 같은 2차 피해가 발생할 수 있다. 제트 화재 모델은 Fig. 2와 같이 Chamberlain model을 기반으로 계산을 수행하며, 수소 가스 누출 속도, 누출 직경 및 각도, 누출 유량, 연소열, 연소율을 고려하여 제트 화재 길이, 폭 계산 후 식 (1)과 (2)를 통해 거리에 따른 복사열을 도출할 수 있다. Table 1에는 복사열에 따른 인적·물적 피해 영향을 나타내었다²²⁾. 4 kW/m² 이상의 복사열에 노출 시 화상과 같은 인명 피해가 발생할 수 있으며, 20 kW/m² 이상의 복사열에 노출될 경우 건축물 내·외부 및 주변 건축물에 열적 손상이 발생될 위험이 있다^23,24).

Fig. 2. 
Jet fire model (Chamberlain model)

본 연구에서는 Chamberlain model을 이용하여 수소 누출 유량 및 누출 직경에 따른 제트 화재 피해 범위를 예측하였다.

• SEP_max : Maximum surface emitting power (kW/m²)
• F_s : Radiation fraction (-)
• m' : Burning rate (kg/s)
• A : Total surface area of frustum (m2)
• ΔH_c : Heat of combustion (kJ/kg)
• q' : Heat flux (kW/m²)
• F_view : View factor (-)
• τ_a : Atmospheric transmissivity (-)

수소 충전소의 경우 고압가스로 인해 저장 탱크 파열이 발생하면 다량의 수소가 외부로 누출되어 가스 폭발의 발생 위험이 있다. 가스 폭발은 외부로 누출된 가연성 가스의 급격한 연소 반응으로 인해 열과 압력이 순간적으로 발산되는 현상으로, 가연물의 종류, 형태, 용량, 압력, 온도 등에 따라 폭발 과압이 달라지며, 폭발 압력은 폭발 중심에서 멀어질수록 급격하게 감소한다. 가스 폭발 발생 시 폭발 과압에 의해 Table 2와 같이 인적·물적 피해를 미치기 때문에 폭발 모델 계산을 통해 안전거리 확보가 중요하다²⁵⁾.

폭발 모델은 식 (3)-(6)인 Vessel rupture 모델을 기반으로 계산을 수행하며, 비열비, 탱크 압력, 탱크 충전 정도를 통해 폭발에너지 산정 후 거리에 따른 폭발 과압을 도출하였다²⁶⁾.

• E : Explosive energy of compressed gas
• P₁ : The gas pressure (Pa)
• P_a : The atmospheric pressure (Pa)
• V_g : Volume of gas-filled space of vessel (m³)
• γ : Specific heats ratio of gas (-)

• r : The distance to the center of the ignition (m)
• r¯ : The scaled distance (-)

• P : The positive overpressure (Pa)
• Ps¯ : The positive scaled overpressure (-)

• T : The positive duration time (s)
• Ts¯ : The positive scaled overpressure (-)

Table 2는 폭발 과압에 따른 인적·물적 피해 영향을 나타낸 것이며^25,27), 폭발하는 압력에 따라서 유리창 및 건물 파손, 파손으로 인한 인명 피해 등 다양한 피해가 발생할 수 있으므로 방폭 등과 같은 대책 수립이 절대적으로 필요하다. 본 연구에서는 Vessel rupture 폭발 모델과 고압 수소 탱크의 압력과 용량을 고려하여 폭발 과압에 따른 휴게소 수소 충전소 폭발 피해를 예측하고자 한다.

인구 밀도는 면적에 따른 인구수를 의미하며, 인구 분포의 밀집 정도를 파악하기 위해 가장 효과적인 방법이다. 인구 밀도는 수소 충전소 사고 발생 시 주변 인적 피해 범위 및 영향이 달라지며, 최악의 경우 많은 사상자가 발생할 수 있기 때문에 주의가 필요하다^27,28).

수소 충전소는 휴게소와 도심 및 외곽 지역에 설치되어 있으며, 설치 위치에 따라 인구 유동 특성이 변화하기 때문에 화재, 폭발로 인해 발생할 수 있는 사회적 위험성이 달라진다. 그 중 휴게소는 수소 충전소 화재 및 폭발 발생 시 도심 및 외곽 지역보다 더 큰 인명 피해가 발생할 수 있기 때문에 안전의 주의가 필요하다²⁹⁾. 그러므로 본 연구에서는 휴게소 수소 충전소 인구 밀도를 고려한 정량적 위험성 평가를 수행하였다.

휴게소의 경우 전국 휴게소 정보 표준 데이터를 활용하여 수소 충전소가 위치한 휴게소의 주차 면수를 통해 인구 산정 후 휴게소 인구 밀도를 계산하였다. 주차 면수를 통한 휴게소 인구 산정 시 Table 3과 같이 휴게시설 차종별 이용 비율을 이용하였으며, 소형차는 4명, 화물차는 2명, 버스는 45명으로 가정하였다³⁰⁾. 본 연구에서 가정한 차종별 인구 수는 휴일, 명절의 경우 휴게소에 많은 유동인구가 발생하여 이로 인해 휴게소의 인구 밀도가 높아져 수소 충전소 화재 및 폭발 사고 시 더 큰 인명 피해가 발생하기 때문에 각 차량에 탈 수 있는 최대 인구로 설정하였다.

바람장미는 풍향, 풍속을 관측하는 지점에서 방위별로 바람이 출현하는 빈도를 풍향, 풍속 등급에 따라 그래프 및 빈도율로 나타내는 방법이다³¹⁾.

제트 화재 발생하였을 때는 풍향, 풍속 등급으로 인해 화재 형상과 방향이 바뀌게 되며, 이로 인해 거리에 따른 복사열이 달라진다. 그러므로 휴게소 수소 저장 탱크 폭발 및 화재 발생 시 바람의 풍향, 풍속 등급을 고려하기 위해 Table 4와 같이 기상청이 제공하는 2020년도 지점별 바람장미 데이터를 활용하여 정량적 위험성 평가를 수행하였다. 지점별 바람장미는 국내 45개 지점에 대한 풍속 및 풍향별 빈도를 나타내었다. 만약 휴게소 위치와 지점별 바람장미가 일치할 경우 정확한 휴게소 바람장미 정보를 얻을 수 있지만, 현실적으로 휴게소 위치와 지점별 바람장미가 일치하지 않기 때문에 정확한 바람장미 정보가 존재하지 않는다. 또한 바람장미의 경우 휴게소 면적에 비해 광범위한 정보를 다루고 있으므로, 본 연구에서 정확한 바람장미 정보를 적용할 수 없을 경우 휴게소 위치와 가장 가까운 바람장미 정보가 계측 지점을 선정하였다. 정온은 풍속이 작고 풍향을 알 수 없을 때로, 본 연구에서 바람장미 정보가 불확실한 경우 정온으로 가정하였다.

위험성(risk)은 유해·위험요인이 부상 또는 질병으로 이어질 수 있는 가능성(빈도)과 심각성(강도)의 곱으로 나타낸다. 가능성의 경우 유해·위험작업에 대한 빈도 및 사고·질병 발생 확률이며, 심각성은 인적·물적 피해 노출 정도이다. 즉, 화재 및 폭발의 위험성은 화재 및 폭발이 발생할 있는 가능성과 사고 결과의 곱을 통하여 사고 시나리오에 대한 위험 정도를 예측하는 방법이기 때문에 화재 및 폭발의 경우 발생할 수 있는 다양한 변수에 의존한다^32,33).

정량적 위험성 평가는 빈도 분석(frequency analysis)과 결과 분석(consequence analysis)을 통해 사업장의 안전장치 및 비상 경보장치의 설치, 최소 안전거리 확보 등 사업장 위험요소 해결 대책을 수립하고, 안전 관리를 실행하는 일련의 과정 또는 산재예방활동이다^33,34). 빈도 분석은 사업장의 유해 및 위험요인을 파악하고, 해당 위험, 유해요인에 의해 작업자에게 부상, 질병, 사고 등이 발생할 수 있는 가능성(빈도)을 예측하는 방법이다. 결과 분석은 인적, 물적 손실의 크기나 정도를 정량적으로 예측하는 방법이다^34-36).

정량적 위험성 평가방법은 일반적으로 개인적 위험성과 사회적 위험성으로 나눌 수 있다. 개인적 위험성은 특정 개인이 위험한 환경에 노출되어 사망, 심각한 부상을 연간 발생할 수 있는 기간으로 나타내며, 위험시설 주변에서 개인이 치명상을 입을 수 있는 확률을 계산한 방법이다. 사회적 위험성은 특정사고가 대중에게 미치는 위험 정도를 나타내며, 사고 발생으로 인해 피해를 입을 수 있는 인구수를 확률화한 것이다. 사회적 위험성은 사고 지점으로부터 모든 방향으로 화재 및 폭발이 일어날 수 있다고 가정하여 계산을 수행한다. 그리고 풍속과 바람 안정 등급 고려 및 폭발과 화재로부터 피해를 입을 수 있는 인구 밀도, 인구 수, 분포형태를 포함하여 식 (7)과 같이 계산한다^36-38).

• N_i : The number of fatalities resulting from incident outcome case i
• P_x,y : The number of people at location x, y
• p_f,i : The fatality probability that accident outcome case i from consequence model at location x, y

위험성 평가를 수행하기 위해서는 빈도분석과 결과 분석이 필요하다. 빈도 분석의 경우 사고 시나리오와 사고 발생 빈도 데이터를 기반으로 수소 충전 시설 및 시스템에 대한 기자재와 공정 요소의 고장 빈도를 결정해 정량적인 분석을 진행할 수 있다. 하지만 국내에는 아직 사고 발생 빈도 데이터 부족 및 축적하지 못한 실정이기 때문에 미국의 Sandia 국립 연구소에서 제시한 수소 충전 시설에 대한 설비별 누출 크기에 따른 빈도 데이터를 통해 고압 수소 저장 탱크에 적용하여 Table 5와 같이 고압 수소 저장 탱크 누출 빈도 데이터를 나타내었다^39,40).

수소 충전소는 지역별 인구 및 충전 대수를 고려하여 설치된 수소 충전소마다 고압 수소 저장 탱크 용량이 각각 다르다. 따라서 지역별 충전소 용량에 따른 인적·물적 피해 범위가 모두 다를 수 있기 때문에 고압 수소 저장 탱크 용량 범위를 산정하여 제트 화재 및 폭발에 대한 결과 분석을 수행하였다.

Table 5의 leak size를 바탕으로 0.23, 2.26, 7.16 mm에서의 제트 화재로 인한 거리에 따른 복사열 피해 범위를 도출하였다. 폭발 결과 분석의 경우 현재 일반적으로 수소 충전소에 설치되어 있는 고압 수소 저장 탱크 용량은 300 L, 585 L, 900 L로 설정하여 거리에 따른 폭발 과압 피해 범위를 도출하였다. 또한 Tables 6, 7은 화재 및 폭발 결과 분석을 수행하기 위한 초기 데이터이며, 초기 데이터를 활용하여 복사열 및 폭발 과압 피해 범위를 예측하였다.

Table 8은 화재지점으로부터 복사열로 피해를 입을 수 있는 최소 혹은 최대 거리를 나타내었으며, Table 9는 폭발 과압으로 피해를 입을 수 있는 총 거리를 나타내었다. 폭발의 경우 폭발 과압이 구 형태로 발생한다고 가정하여 최대, 최소 거리가 동일하게 나타나기 때문에 최소 혹은 최대 거리가 아닌 총 거리로 표현하였다.

거리에 따른 제트 화재 복사열 분석 결과 누출 직경 0.23 mm에서 최대 0.5 kW/m²의 복사열이 발생하므로 인적·물적 피해가 일어나지 않을 것으로 사료된다. 반면 2.26 mm은 최대 12 m, 7.16 mm는 최대 36 m까지 복사열 피해가 발생하는 것으로 나타났다. 이는 7.16 mm에서의 누출 유량이 2.26 mm보다 크기 때문으로, 누출 직경이 클수록 복사열 피해 범위가 증가하는 것으로 판단된다.

거리에 따른 폭발 과압 분석 결과 고압 수소 탱크 용량과 압력을 고려하였을 때 고압 수소 탱크 용량이 늘어날수록 폭발 과압 피해 범위가 증가하는 것으로 나타났다. 폭발 과압이 0.15, 0.25, 0.5, 0.7 bar일 경우 고압 수소 저장 탱크 용량에 따른 폭발 과압 피해 거리는 크게 차이나지 않았으나, 폭발 과압이 0.01 bar일 경우 폭발 과압 피해 거리가 30 m 정도로 차이가 큰 것으로 나타났다.

휴게소 수소 충전소 정량적 위험성 평가는 고압 수소 저장 탱크 빈도 데이터와 결과 분석, 휴게소 주차 면수를 통한 인구 밀도, 바람장미를 고려하여 사회적 위험성 및 F-N 곡선 결과를 도출하였다.

Table 10과 같이 휴게소 주차 면수의 경우 휴게소별 최대 주차 면수로 가정하였으며, 주차 면수를 이용하여 인구수를 계산한 후 휴게소 면적을 통해 각 휴게소별 인구 밀도를 산정하였다. 휴게소 인구 밀도 산정 결과 인구 밀도가 가장 작은 백양사 휴게소, 인구 밀도가 가장 큰 안성(부산 방향) 휴게소, 인구 밀도가 중간인 안성(서울 방향) 휴게소를 선정하여 사회적 위험성 및 F-N 곡선을 분석하였다.

Table 11은 영국 보건 안전청(Health & Safety Executive, HSE)의 위험성 가이드라인으로, 가장 일반적으로 사용되기 때문에 HSE 가이드라인을 ALARP 기준으로 휴게소 수소 충전소의 사회적 위험성 및 F-N 곡선을 평가하였다.

Table 12는 휴게소 수소 충전소별 제트 화재 및 폭발에 대한 사회적 위험성 결과를 나타내었다. 안성(부산 방향) 휴게소의 누출 직경 2.26 mm, 7.16 mm, 안성(서울 방향) 휴게소의 누출 직경 7.16 mm, 백양사(천안 방향) 휴게소의 누출 직경 7.16 mm은 Table 9의 작업자에 대한 허용 가능 범위를 만족하나, 일반 대중에 대한 허용 가능 범위에는 벗어나는 것으로 나타났다. 반면 다른 시나리오에서는 모두 허용 가능한 범위를 만족하는 것으로 나타났다. 백양사, 안성(서울, 부산 방향) 휴게소에서 누출 직경 0.23 mm의 제트 화재가 발생할 경우 결과 복사열이 0.5 kW/m² 이하로 낮아 사회적 위험성이 발생하지 않는 것으로 나타났다. 사회적 위험성이 1E-04이상인 경우 대중에게 피해가 발생할 위험이 있으므로, 충전소 주변 방화벽 설치 및 고압 수소 저장 탱크의 휴게소 외곽 설치 등 제트 화재 위험성 저감 대책 마련이 필요하다.

F-N 곡선은 사고 결과에 따른 사상자 수와 사고 발생 빈도 사이 관계를 표현하는 지표로, Figs. 3-5에는 휴게소 수소 충전소별 제트 화재 및 폭발 사고에 따른 F-N 곡선을 나타내었다. 또한 Figs. 3-5에서 사용된 위험성 기준은 Table 11인 HSE 위험성 가이드라인을 활용하였으며, maximum risk criteria 위 범위를 unacceptable zone, maximum과 minimum risk criteria 범위를 ALARP zone, minimum risk criteria 아래 범위를 acceptable zone를 나누어 분석하였다. 분석 결과 사상자 수에 따른 사고 발생 확률이 안성(서울 방향), 백양사 휴게소는 허용 가능한 범위에 분포되어 있으나 안성(부산 방향) 휴게소는 다른 휴게소에 비해 인구밀도가 커 일부 구간에서 허용 가능한 범위를 벗어나는 것으로 나타났다. 그러므로 안성(부산 방향) 휴게소의 경우 위험도를 낮추기 위한 안전조치 및 관리가 필수적일 것으로 판단된다.

Fig. 3. 
F-N curve according to expressway service area (Anseong_Busan)

Fig. 4. 
F-N curve according to expressway service area (Anseong_Seoul)

Fig. 5. 
F-N curve according to expressway service area (Baegyangsa_Cheonan)

휴게소 수소 충전소 정량적 위험성 평가를 통해 휴게소별 대중에게 발생하는 위험 정도를 확인하였고, 인구 밀도와 사회적 위험성, F-N 곡선 결과를 토대로 휴게소 수소 충전소 구축 가이드라인을 제시하였다.

‘3.3. 정량적 위험성 평가’ 결과를 바탕으로 Table 13과 같이 인구 밀도를 3가지로 분류하여 휴게소 수소 충전소 구축 가이드라인을 제시하였다. 해당 가이드라인은 본 연구에서 해석한 시나리오들 중 가장 피해가 컸던 누출 직경 7.16 mm 이하인 제트 화재, 고압 수소 저장 탱크 900 L 이하인 폭발에 적용 가능하다.

수소 충전소가 위치한 휴게소의 최대 인구 밀도는 0.0727로 인구 밀도가 0.0727을 초과하는 휴게소의 경우 정량적 위험성 평가를 수행한 후 수소 충전소를 구축해야한다. 인구 밀도 0.0197과 0.0727 사이의 휴게소는 허용 가능한 범위를 벗어나는 구간이 일부 발생할 수 있기 때문에 안전조치 및 사고에 대한 대책수립 후 수소 충전소를 구축해야한다. 마지막으로 인구 밀도가 0.0197 미만의 휴게소는 모든 범위에서 허용가능하기 때문에 별도의 안전조치나 사고 대책 수립 없이 수소 충전소 구축이 가능할 것으로 판단된다.