패키지형 수소충전소란 ｢융·복합 및 패키지형 자동차충전소 시설기준 등에 관한 특례기준｣에 의하면 수소자동차의 충전에 필요한 설비(필요한 경우 충전기는 제외할 수 있다)를 하나의 보호함에 장착한 충전시설을 일정한 장소에 배치하고 수소를 연료로 사용하는 자동차에 압축 수소를 충전하는 것을 말한다.⁵⁾

본 연구의 대상이 된 수소충전소는 Fig. 1과 같이 튜브트레일러를 이용한 off-site 방식으로 수소가스를 공급받아 패키지 안의 압축기와 판넬을 거쳐 압축된 후 저장 탱크에 저장 또는 수소차에 공급하는 설비로 구성된다.

Fig. 1. 
Drawing of package hydrogen station

패키지형 수소충전소의 주요 구성설비로는 tube trailer, compressor, dispenser, storage tank, filter, safety valve 등이 있다. Tube trailer는 180-200 bar의 수소를 공급하고, dispenser는 수소차로 700 bar의 수소를 공급하게 한다. 부피가 343 L로 15,000 psi 압력을 버티는 tank가 4개 존재하며, filter는 튜브 트레일러(tube trailer) 후단에 1개 dispenser 전단에 1개 compressor 앞뒤에 1개씩 존재한다. Safety valve는 용도에 따라서 10, 198, 460, 962 bar에서 작동되도록 구성되어 있다.

FMEA 수행을 위해 수소충전소 부품 23개에 대해 총 1,485개의 failure mode를 도출하여 고장형태에 대한 시스템의 영향을 분석하였다. 분석결과 압력을 관리해주는 pressure safety valve (PSV), needle valve (NV), flow control valve (FCV) 등의 압력 및 압축기에 의한 위험우선순위(risk priority number, RPN) 값이 높게 나타났다. Table 1의 결과에서 고장형태로는 막힘 또는 열림 실패로 인한 파열 및 수소가스 누출의 RPN값이 높은 것으로 분석되었다.

HAZOP 수행을 위해 수소충전소의 기능을 hydrogen supply system, hydrogen storage system, hydrogen discharge system, hydrogen n₂ gas system으로 총 4개의 NODE로 설정하여 분석을 실시하였다. 분석결과 Table 2와 같이 압축기 등 압력 이상으로 인한 사고원인은 수소가스 누출 및 폭발위험의 결과를 갖는 요인이 주요 위험요소로 확인되었다.

정성적 위험성 평가를 통해 수소누출의 위험도가 가장 큰 위험요인으로 분석되어 top event로 선정하였다. 고장모드 및 사고원인이 FTA 작성 시에 FT도 구성 및 기초사건으로 인용되어 작성되었다.

수소누출을 top event로 하여 사건이 일어날 수 있는 요인을 외적요인과 내적요인으로 구분하여 FT도를 작성하였다. 외적요인에는 자연재해 및 외부요인으로 인한 중대재해의 영향을 OR gate로 포함하여 분석하였다. 내적요인으로는 tube tailer, compressor & storage tank, dispenser로 나누어 운전과정의 실수 및 부품의 leakage로 인한 사고원인을 중점으로 하여 구성하였다. 각 기초사건에 대해서는 신뢰도 핸드북을 참고하여 수집하였고 인간 실수에 대해서는 technique for human error rate prediction (THERP) 인간 실수 분석 기법으로 분석을 실시하였다.^6,7)

외적요인으로는 Fig. 2와 같이 크게 sabotage natural, disaster, other leakage로 구성되어 있으며 구성요소는 자연재해(지진, 태풍, 홍수 등), 자동차 및 비행기로 인한 사고, 알람 실패 및 운전상 실패 등이 있었다.

Fig. 2. 
Fault tree of external factor

내적요인으로는 크게 3가지로 나누었다. Off-site방식으로 인한 tube trailer loading leakage, 압축 및 저장 공정인 compressor & storage unit leakage, 수소차에 충전을 할 수 있는 charge unit leakage로 셋 중 하나라도 누출 시 수소누출이 나타날 수 있는 OR gate로 구성하였다.

Tube trailer loading 수소누출은 Fig. 3과 같이 운전원 부재 시 gas detector가 감지 실패로 인해 shut down 실패와 로딩 부품(pipe, PG, BV, CV, SRV, NV 등)의 누출이 동시에 일어날 경우 수소가스의 누출로 이어지도록 구성하였다.

Fig. 3. 
Fault tree of tube trailer loading leakage of internal factor

Compressor & storage unit 수소누출은 공정 내 부품의 누출에 의한 수소누출과 압축 및 저장 공정 중의 누출 둘 중 하나라도 일어난다면 수소누출이 발생하는 것으로 구성하였다.

Fig. 4와 같이 compressor & storage unit 공정의 부품 누출의 요인으로는 공정 내 부품(배관, 저장탱크, 필터, 유량밸브, 압력계측기, SRV, CV, 압축기, 온도계, NV 등)에 의한 누출과 함께 shut down 실패 시 수소누출이 일어나는 것으로 구성하였다. Shut down 실패는 detector 오류, 알람 실패, 운전원 부재 요인이 한꺼번에 일어나거나 ESD 닫힘 실패로 발생한다고 예상하였다.

Fig. 4. 
Fault tree of compressor & storage unit component leak of Internal factor

압축 및 저장 공정 중 누출은 Fig. 5와 같이 압축기 컨트롤 실패나 SRV 열림 실패 시 제조 시간에 따라 수소 누출이 일어난다. 압축기의 컨트롤 실패에는 압력 detector 고장, 자동밸브 고장과 운전원 부재 시 압력조절 실패가 있다. 이와 함께 쿨링 시스템 실패, 세팅값 오류, 압축기 공정변수가 일어나 고압이 생성된다면 압축기 컨트롤 실패와 누출이 발생하는 구성이다.

Fig. 5. 
Fault tree of compressing & storaging leakage of internal factor

충전부에 의한 누출은 Fig. 6과 같이 충전공정 중의 누출도 있지만 충전 빈도, ESV shutdown 실패가 같이 발생해야 수소의 외부누출이 일어났다.

Fig. 6. 
Fault tree of charge unit leakage of Internal factor

충전 공정 중의 누출은 Fig. 7과 같이 부품의 외부누출 또는 운전원의 실수 중 하나라도 발생하면 누출이 발생된다.

Fig. 7. 
Fault tree of charging leakage of internal factor

부품에는 solenoid valve, 유량계, BV, NV, CV, SRV, 배관, 유량 detector, 유량 조절기, 압력 detector, 온도 detector 등이 있다.

운전 실패에는 연결 불량 및 shut-off 실패로 인한 노즐 연결 실패, return line 오작동, 과충전 감지 실패와 운전원 부재 그리고 CCU 결함으로 인한 과충전, 차량 급발진 및 breakaway 실패로 인한 차량 충전부 누출로 구성하였다.

ESV의 shutdown 실패는 Fig. 8과 같이 ESD의 닫힘 실패가 발생하거나 운전원의 부재 및 CCU 결함으로 인한 shutdown의 실패 시 발생한다.

Fig. 8. 
Fault tree of ESV shutdown fail of internal factor

본 연구의 분석결과 수소누출에 대한 top event의 비가동도는 0.106/10⁴hr이였으며, 내적요인에 대한 비가동도는 0.0053/10⁴hr, 외적요인으로는 0.102/10⁴hr의 비가동도 값이 도출되었다.

각 gate (32종) 별 비가동도와 발생빈도, 기대 고장 수, 총 예상 고장시간 그리고 gate 별 m-cutset의 분석은 Table 6과 같다.

Importance analysis의 결과 Fig. 10에서 보는 바와 같이 외부요인이 가장 큰 요인으로 분석되었고, 그 다음으로는 ESD 닫힘 실패, solenoid valve의 외부누출, 온도 계측기의 누출 순으로 위험도가 높게 분석되었다.

Fig. 10. 
Fussell-vesely importance analysis

Minimal cutset 총 80건이 산출되었으며 Table 7은 비가동도가 높은 순의 minimal cutset을 정리한 표이다. Minimal cutset 분석결과 ESD 닫힘 실패와 solenoid valve 누출의 비가동도가 가장 높았으며, 다음으로 ESD 닫힘 실패, 온도 계측기 누출, 압축기 누출 등이 있었다.

본 연구의 분석결과 수소가스 누출 사고빈도는 1,000년에 8.83회 정도로 약 100년에 1회 발생할 수 있다고 분석되었다. 수소충전소 시스템의 비가동도는 0.16이였고, 1년간 기대고장 수는 0.109이다.