정부의 수소경제 활성화 정책에 따라 국내에서는 2019년부터 수소충전소 구축사업이 활발히 진행되고 있다. 2021년 12월 기준으로 전국에 114기의 수소충전소가 구축되어 운영 중이다. 70 MPa의 수소전기차가 일반화되면서 고압의 수소 충전이 요구되고 있다. 고압 수소 충전은 액상 연료 대비 높은 기술 수준을 요구하며, 정량의 고압 수소를 안전하고 빠르게 충전하기 위해 충전프로토콜이 필요하다. 일반적인 주유의 경우 약간의 펌프 압력 및 낙차로도 탱크가 채워지지만 고압가스 충전의 경우 압력 차이로 충전하게 되며 주유의 경우에는 유량 센서 하나만 계측하는 단순한 방법이나 고압 수소 충전은 온도, 압력을 차량으로부터 정보를 받고 충전기에서도 온도, 압력, 유량을 계측하는 방식으로 충전하게 되어 계측 요소가 많아 제어 자체가 복잡하다. 고압 수소 충전프로토콜을 만족하지 않으면 충전 시간이 지연될 수 있으며 완전 충전이 안 되는 상황이 발생할 수 있고, 또한 압력 또는 온도의 과다 상승으로 차량 용기 파손 및 큰 사고로도 이어질 수 있는 심각한 상황까지 발생할 수 있다.

일본, 미국 등 선진국을 중심으로 수소자동차 충전소에 대한 안전 및 신뢰성 확보를 위해 수소 충전 표준 프로토콜(SAE J2601)¹⁾에 맞추어 수소 충전시스템에 대한 성능 평가를 하고 있으나, 국내는 자체 기술로 개발된 수소 충전시스템에 대한 성능 평가 기준 및 장비가 없는 상황이다.

국내 수소충전소는 충전시스템에 대한 성능 기준이 부재하여 충전소마다 다른 충전 능력을 보이는 것으로 파악된다. 이러한 문제점을 인식하여 국내 수소충전소에 대한 충전시스템의 성능을 평가하고 안전성을 확인하기 위한 성능 평가 장비를 개발하고 관련 기준을 개발하고자 본 연구가 진행되었다.

본고에서는 충전프로토콜 평가 장비에 대한 위험성 평가를 통해 안전성을 확인하고 운용상에서 발생할 수 있는 문제점을 파악하여 개선대책을 마련하고 제도가 안전하게 정착되도록 유도하고자 한다.

평가 장비의 구성요소는 Table 1과 같다. 수소저장용기는 수소전기차에 장착되는 같은 모델을 2세트 구성하였다. 충전과 방출을 효과적으로 진행하며 평가에 걸리는 시간을 단축하는 조치이며, 향후 버스와 같은 상용차 충전소에 대한 평가를 대비하여 6 kg 용기 1세트를 추가하였다. 용기 밸브에는 자동 개폐를 위한 솔레노이드 밸브, 화재 발생 시 가스 방출을 위한 열 감응식 압력 방출 장치(thermal pressure relief device, TPRD), 역류방지를 위한 체크밸브를 설치하였다. 평가 장비의 저장용기에 수소 충전을 위한 리셉터클이 설치되었고 저장용기 및 배관 라인에 과압이 형성되면 압력 방출을 위한 안전밸브가 설치되었다. 평가 장비 운용 중 가스누출 등 비상 상황 발생 시 시스템을 중단하기 위한 긴급차단밸브(shutdown valve)가 설치되었고 불순물 제거를 위한 필터와 충전량 측정을 위한 유량계가 설치되었다. 안전밸브 및 긴급차단밸브 작동 등에 따라 수소를 외부 방출할 때 별도의 벤트스택을 통해 안전한 지역으로 가스를 방출하도록 하였다. 그리고 평가 장비 내부의 가스누출 및 화재를 감시하기 위한 수소가스 검지기와 수소 화염 검지기를 설치하였다.평가 장비가 밀폐되었을 때 수소가스 누출에 대비하여 환기팬을 설치하였다.

평가 장비의 설계 단계에서 위험요인 분석 및 안전대책의 적정성을 분석하기 위해 정성적 위험성 평가 방법의 하나인 hazard and operability (HAZOP)를 진행하였다. HAZOP은 설계 의도에서 벗어나는 이탈 현상을 찾아내어 공정의 위험 요소와 운전상의 문제점을 파악하기 위해 관련 분야의 경험을 가진 전문가들로 팀을 이루어 해결책을 강구하는 방법으로 정성적인 위험성 평가의 대표적 수행 방법이다. HAZOP 수행을 위한 P&ID를 Fig. 1에 나타내었으며, 검토 구간을 3개로 구분하여 분석을 진행하였다. 1번 구간(NODE NO. 001)은 충전구에서 저장용기 1번 세트(Container 1)에 충전하고 방출하는 공정이며, 2번 구간은 저장용기 2번 세트(Container 2)에 충전하고 방출하는 공정 그리고 3번 구간은 저장용기 3번 세트(Container 3)에 충전하고 방출하는 공정으로 구분하였다. Table 2에 HAZOP 검토 구간을 설명하였고, Fig. 1에 각각의 구간을 표시하였다.

Fig. 1. 
P&ID of hydrogen refueling protocol evaluation equipment

본 평가 장비에 대한 HAZOP 분석을 통해 84개의 이탈 원인을 도출하였다. 조치 전 고위험등급에 해당하는 3개의 주요 항목과 단순 개선 의견 26개를 포함하여 29개의 개선 권고사항을 도출하여 설계에 반영하였다. 반드시 개선이 필요한 3개의 항목은 다음과 같다. 평가 장비가 밀폐된 상태에서 운영될 시 내부의 누출 가스를 환기하기 위해 평가 장비에 환기장치를 설치하도록 하였고, 저장용기 1번과 2번 세트의 동시 벤트 시 벤트 용량의 추가 검토 및 역류방지를 위한 체크밸브 설치 등이 필요함에 따라 동시 벤트를 금지하고 이를 운전절차서에 반영하도록 하였다. 그리고 평가 장비는 반복되는 이충전으로 저장용기의 충전 횟수를 파악하여 용기의 내구성을 판단해야 하므로 PLC에서 용기의 충전 횟수를 관리하도록 시스템에 반영하였다.

HAZOP을 통한 위험요인분석 결과를 통해 정량적 위험성 평가를 위한 중대 재해사고 시나리오를 Table 3과 같이 도출하였다. 여러 가지 요인에 의해 평가 장비로부터 수소가스가 누출되고 화재 및 폭발이 발생하는 상황을 사고시나리오로 선정하였다.

본 연구는 수소충전소의 충전프로토콜을 평가하기 위한 장비에 대한 정성적, 정량적 위험성 평가를 수행하고 안전성 향상을 위한 대책을 제시하였다.

정성적 위험성 평가를 통해 밀폐된 상태에서 평가 장비가 운용될 시 누출 가스를 환기하기 위한 환기장치를 평가 차량 내에 설치하도록 하였고, 저장용기 1번과 2번 세트의 동시 벤트를 금지하고 이를 운전절차서에 반영하도록 하였다. 그리고 평가 장비의 반복 이충전 횟수를 파악하여 용기의 충전 횟수를 관리하도록 시스템에 반영하였다.

정량적 위험성 평가를 통해 충전소 평가 시 장치 주변 8.0 m를 제한구역으로 설정하여 외부인 접근 차단함으로써 안전을 확보하도록 하였다. 또한 사고빈도를 줄이기 위해 운전원의 실수를 예방하기 위한 운전 매뉴얼을 비치하고 절차를 철저히 준수하도록 하며 이동 중 장비의 고장 및 연결부 풀림 등을 수시로 점검하도록 하였다.