본 연구의 대상은 액화수소 충전소(LH₂ Refueling Station)이다. 이는 극저온 상태의 액화수소를 대형 저장탱크에 보관하고, 이를 고압으로 가압한 후 기체로 전환하여 수소 차량에 공급하는 형태의 충전소이다. 전체 공정은 크게 저장(Storage) – 펌프 가압(Pump Pressurization) – 기화(Vaporization) – 충전(Dispensing) 단계로 구분된다.

액화수소 충전소의 일반적인 PFD는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. 
PFD of LH₂ Refueling Station system

우선 액화수소는 극저온 단열 저장탱크(Cryogenic LH₂ Storage Tank)에 저장된다. 저장탱크는 내부 압력 및 온도를 일정하게 유지하도록 설계되며, 진공단열(Vacuum Insulation) 구조를 통해 열유입을 최소화한다. 저장된 액화수소는 이송라인을 통해 펌프(Pump)로 이송되며, 여기서 고압 펌프가 액화수소를 차량 충전에 필요한 압력(약 90 MPa)까지 상승시킨다. 가압된 액화수소는 기화기(Vaporizer)를 거치며, 외부 열원(주로 공기 열교환기)을 이용해 액체에서 기체로 상변환이 이루어진다. 기화 과정에서 발생할 수 있는 압력 변동이나 동결 현상은 충전소 운영 안정성에 중요한 요소이므로, 안전밸브(PSV), 온도⋅압력 제어장치가 동시에 설치된다. 이후 기화된 고압 수소는 버퍼탱크(Buffer Tank) 또는 매니폴드(Manifold)를 통해 안정화 과정을 거쳐, 최종적으로 디스펜서(Dispenser)를 통해 수소차량 연료탱크에 충전된다.

이와 같은 가압형 액화수소 충전소 공정은 상대적으로 단순하면서도 대용량⋅고압⋅극저온이라는 위험요소를 동시에 내포한다. 특히, 저장탱크 및 배관의 단열파괴, 극저온 펌프의 이상, 기화기 결빙 등의 사고 시나리오는 액화수소의 누출 및 화재⋅폭발 사고로 직결될 수 있어 고안전성이 요구되므로 정성적 위험분석(HAZOP)뿐만 아니라 정량적 평가(LOPA)를 통한 통합적 위험성 검증이 필요할 것으로 생각된다.

HAZOP 분석은 액화수소 충전소의 주요 공정 노드(저장탱크, 이송 배관, 기화기, 디스펜서 등)에 대해 체계적으로 수행하였다. 각 노드별로 압력, 유량, 온도 등의 공정변수에 대해 No, More, Less, Reverse와 같은 표준 가이드워드를 적용하여 잠재적 위험요인를 도출하였다. Table 2는 분석된 HAZOP의 일부를 요약한 내용이다.

평가대상에 대하여 총 107개의 유해⋅위험요인 시나리오가 파악되었으며, 각 위험등급별 분포는 다음과 같으며, 도출된 개선권고사항은 총 40개 사항이 도출되었다.

이 중 수소충전소에서 발생할 수 있는 심각한 누출 및 화재, 폭발을 야기시킬 수 있는 시나리오를 다음 단계인 LOPA 분석 대상으로 선정하였다.

LOPA 단계에서는 HAZOP에서 선정된 고위험 시나리오를 반 정량적으로 평가하였으며, 국내 KOSHA GUIDE를 참고하여 분석하였다.

분석한 시나리오는 주요 8가지 영향에 대해 분석하였으며, 총 19가지 시나리오에 대한 방호계층을 고려하였다.

Table 3은 분석한 주요 8가지 영향에 대한 시나리오이다. 여기서, 심각도의 수준은 HAZOP에서 결정한 수준을 적용하였다.

각 시나리오에 대해 발생빈도(initiating event frequency)를 문헌자료, 산업 DB, 과거 사고 사례 등을 기반으로 산정하였으며, 평가팀의 의견을 수렴하여 결정하였다. 또한, 독립적 방호계층(IPL)에 대해서는 KOSHA GUIDE를 참고하여 공정설계, 제어시스템, 경보 등을 고려하고 추가적인 완화대책 및 완화대책 등을 검토하였고, 각 IPL의 요구 시 고장확률(PFD, Probability of Failure on Demand)을 추정하였다. 발생빈도와 방호계층의 신뢰도를 결합하여 잔여 위험을 계산하였으며, 심각도 수준에서 요구되어지는 관리 수준을 만족할 수 있는지를 분석하였다⁹⁾.

Table 4는 LOPA 수행 sheet의 일부 예시이다.

LOPA 결과, 대부분의 고위험 시나리오는 독립적 방호계층의 적절한 설계⋅운영을 통해 허용위험 기준 이하인 것을 확인하였으나, 일부 시나리오의 경우 추가적 대책이 필요한 것으로 나타났다.

저장탱크 초과압 시나리오는 진공 파괴로 인한 압력 상승 가능성에 대해 HAZOP 단계에서 검토하였으나, LOPA를 통해 초기 사고빈도를 1.0E-2/yr로 가정하고 PSV 및 ESD 시스템을 독립 방호계층(IPL)으로 반영한 결과, MEF는 1.0E-6/yr로 감소하였으며, 허용 가능한 위험 수준을 초과하지 않아 추가적인 보완조치가 필요하지 않은 것으로 판단되었다.

반면, LH2 하역 과정에서의 과충전 시나리오는 액화수소의 특성상 계측기에 어려움이 많아 과공급 가능성이 상당히 높다고 판단하여 초기 사고빈도를 1.0E-1/yr로 산정하였다. LIT 알람과 운전원 대응을 IPL로 적용하였음에도 불구하고 MEF는 1.0E-4/yr로 계산되어 TMEL 허용 기준(1E-5/yr)을 초과하였다. 따라서 해당 시나리오에서는 추가적인 방호계층이 요구되며, 이에 1.0E-1/yr 이상의 신뢰성을 갖는 자동 차단밸브 로직 또는 LT 추가 설치로 교차 검증과 같은 추가적인 IPL 도입이 요구된다.

또한, LH2 하역 과정 중 호스 체결 불량 등으로 호스 이탈 시에 대해서는 분석 결과 MEF 수준이 TMEL 수준에 일치하여 별도의 추가적 대책이 필요하지 않는 것으로 나타났으나, 갑작스런 호스 이탈이 발생할 경우 탱크로리 측에서도 공급을 차단할 수 있는 효과적 방법(interlock 등)이 마련되어 있는지 확인하여 안전을 확보하는 것이 좋을 것으로 판단하였다.

전체 분석 결과, 대부분의 고위험 시나리오는 독립적 방호계층의 적절한 설계⋅운영을 통해 허용 위험 기준(TMEL) 이하로 보여진다. 다만, LOPA 역시 평가팀의 주관적 판단이 포함되는 방법이며 액화수소 충전소에 적용하기에 몇 가지 한계점이 있는 것을 확인하였다.

HAZOP과 LOPA는 상호 보완적으로 적용될 수 있으나, 액화수소 충전소와 같이 단일 가스를 사용하는 공정이면서 기존 화학물질 공정에서 사용되는 방호계층과 다른 공정에 LOPA를 적용할 경우 몇 가지 한계점과 문제점이 나타난다.

첫째, 데이터 불확실성의 문제이다. LOPA 분석에서 요구되는 개시사건 빈도 및 독립적 방호계층(IPL)의 신뢰도 값은 주로 해외 데이터베이스나 문헌에 의존하는 경우가 많다. 국내 액화수소 충전소의 실제 운전 경험이나 사고 데이터는 부족하기 때문에, 적용된 수치의 불확실성이 최종 위험빈도에 크게 영향을 미칠 수 있다.

둘째, 분석 범위의 불일치이다. HAZOP은 공정 전반을 대상으로 다수의 위험 시나리오를 도출하지만, LOPA는 이 중 일부 고위험 시나리오만 선택하여 정량적으로 평가한다. 이로 인해 위험 관리의 “선택 편향(selection bias)”이 발생할 수 있으며, 저위험으로 분류된 시나리오가 실제 운전 환경에서 사고로 이어질 가능성을 완전히 배제하기 어렵다.

셋째, 독립적 방호계층 검증의 어려움이다. LOPA에서 가정하는 IPL(예: 압력방출밸브, 가스누출검지기, 긴급차단시스템)은 독립적이고 높은 신뢰도를 가진 것으로 가정되지만, 실제 운전 환경에서는 상호 의존성이 존재할 수 있다. 예를 들어 전력 공급 장애나 제어시스템 오류는 복수의 IPL에 동시에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 LOPA 결과를 과도하게 낙관적으로 만들 수 있다.

넷째, 정성적–정량적 결과의 연계성 부족이다. HAZOP의 권고사항은 운전자의 경험이나 현장 관찰에 기반하는 경우가 많아 정성적 판단에 치우칠 수 있고, 반면 LOPA는 수치 기반으로 결과를 제시하기 때문에 두 결과를 일관성 있게 통합하기가 쉽지 않다. 이러한 차이는 의사결정 과정에서 혼선을 유발할 수 있다.

마지막으로, 법⋅제도적 반영의 한계가 있다. 국내에서는 ｢수소경제법｣ 및 고압가스안전관리법, KGS CODE 등에서 위험성 평가의 수행을 요구하고 있으나, HAZOP과 LOPA 연계 적용을 구체적으로 규정하지 않고 있다. 따라서 사업자⋅설계자에 따라 방법론 적용 수준이나 결과 해석 방식에 차이가 발생할 수 있으며, 이는 안전성 평가의 표준화 부족으로 이어질 수 있다.