최근 수소는 탄소중립을 위한 화석 연료를 대체할 청정에너지로 각광받고 있다. 국내에서도 전 세계적인 흐름에 맞춰 수소경제로의 변화를 추구하고 있다¹⁾. 수소는 모빌리티(수소자동차, 수소충전소), 에너지(연료전지), 수소 생산, 저장, 운반과 관련하여 2050년까지 전 세계 에너지의 18%를 차지할 것으로 예상되고 국내에서는 수소가 총 에너지 소비의 33%를 담당할 것으로 예상된다²⁾. 특히 국내에서는 수소자동차 상용화에 따라 수소충전소를 지속적으로 확충하고 있으며 현재까지는 고압으로 충전된 수소를 활용하고 있다. 수소는 분자량이 작아 확산성이 뛰어나고 낮은 점화에너지로도 쉽게 점화된다. 또한 넓은 가연성 범위(lower explosive limit/upper explosive limit, LEL/UEL)와 빠른 연소 속도로 인해 누출 이후에 화재 및 폭발로 이어져 큰 사고를 야기할 수 있다³⁾.

국내에서는 「융·복합, 패키지형 및 이동식 자동차충전소 시설기준 등에 관한 특례기준」에 따라 패키지형 수소충전소와 같이 수소를 취급하는 반밀폐 공간에서는 주로 40 ft 컨테이너를 활용하고^4,5) 이와 유사한 크기 또는 용적에서 수소를 취급하는 다양한 시설이 있음을 알 수 있다⁶⁾. 수소는 개방된 공간에서는 공기와 쉽게 희석되어 비교적 화재 및 폭발로부터 안전하다⁷⁾. 하지만 컨테이너와 같은 밀폐 공간에 수소를 충전하기 위한 설비들을 장착하게 되면 수소 누출에 의한 화재 및 폭발로부터 매우 취약하다. 따라서 폭발로부터 안전성 향상을 위해서는 방폭 기기를 설치하여 점화원을 제거하여 우발적인 폭발을 제한하거나 폭발 방산구(explosion venting) 설치, 환기를 통해 폭발 과압을 크게 줄여 2차 사고를 예방해야 한다. 폭발 방산구는 점화에 의한 폭발로부터 피해 저감을 위한 방법이다. 압력 상승은 밀폐된 공간에서 뜨거운 연소 가스의 팽창이 제한되어 발생하고 이는 폭발 방산구의 크기에 따라 에너지를 빠르게 방출시켜 과압을 해소할 수 있다⁸⁾. 환기는 수소와 공기를 희석함으로써 가연성 범위(LEL/UEL) 이하로 유지하여 사고를 예방할 수 있는 방법이다. 수소와 공기 혼합비에 따라 점화 시에 폭발로부터 형성되는 폭발 과압이 상이하고 수소-공기 혼합물에서 화학양론비에 따라 수소 농도 29%일 때 완전 연소되어 가장 큰 폭발 과압을 형성한다^9,10). 또한 환기 시 수소 농도 감소에 따라 점화에 의한 낮은 폭발 과압 또는 섬광 화재(flash fire)로 과압 발생이 거의 없는 수준임을 알 수 있다^11,12). 따라서 밀폐 공간에서 폭발로부터 안전성 향상을 위해서는 적절한 환기와 폭발 방산구 설치를 통해 안전성 향상을 도모할 수 있다.

밀폐 또는 반밀폐 공간에서의 수소-공기 혼합물 환기 연구에서는 자연 환기와 강제 환기를 비교하였다. 그 결과 자연 환기에서는 환기구 면적이 중요하고 강제 환기에서는 환기 속도가 중요한 것을 알 수 있다^13,14). 반밀폐 공간에서의 수소 누출을 가정하여 폭발 위험 장소 구분에 대한 연구를 통해 공간에서의 환기 횟수(air change per hour, ACH)를 증가시켜야 더 낮은 등급으로 관리 가능함을 알 수 있다¹⁵⁾. 또한 폭발 방산구의 파열 압력에 따라 내부에 형성되는 최대 폭발 과압이 상이하다¹⁶⁾. 이를 통해 낮은 파열 압력일 때 유리함을 알 수 있다.

따라서 본 연구에서는 반밀폐 공간인 패키지형 수소충전소에서의 수소 누출에 의한 위험성을 평가하고 관리 방안을 제시하고자 한다. 환기 조건을 계산하여 환기구 크기를 결정하고 내부에 축적된 수소의 폭발로 인한 폭발 과압을 프로빗 함수를 통해 치명도로 평가한다. 또한 피해 저감을 위한 폭발 방산구 설치함으로써 폭발 과압 해소 효과를 확인한다. 이는 컨테이너 자체 또는 내부 저장 용기 등의 파손에 의한 2차 사고 예방의 목적으로 나아가 수소를 취급하는 반밀폐 공간에서의 안전관리에 목적이 있다.

본 연구에서는 반밀폐 공간인 패키지형 충전소에서의 안전관리를 위해 위험성을 평가하였고 누출량에 따른 안전관리 방안을 제안하였다.

1) 수소 누출 빈도와 지연 점화 확률을 통해 빈도를 계산하였고 프로빗 모델을 이용하여 치명도를 계산하여 위험성 평가를 하였다. 그 결과 수소 누출 빈도가 높고 누출량이 크면 위험성이 커짐을 알 수 있다.

2) 반밀폐 공간에서의 수소 누출 시 누출량에 따라 조기 감지 및 환기량 증가를 통해 사고를 미연에 방지할 수 있음을 확인하였다. 수소 누출량이 큰 경우 폭발 과압 해소를 위한 폭발 방산구를 설치하여 고압 용기 파열에 의한 2차 사고 확률을 낮출 수 있음을 시사하고 있다.

3) 내부 폭발 과압 해소를 위한 폭발 방산구를 설치하여 시뮬레이션하였고 폭발 방산구 면적이 증가함에 따라 내부에 형성되는 폭발 과압이 감소하는 것을 확인하였다. 하지만 고압 용기 파손에 의한 2차 사고 발생 확률이 여전히 존재하는 것을 알 수 있었다. 이는 내부 수소 농도를 낮춰 폭발 과압을 낮춰야 함을 시사한다.

본 연구에서는 반밀폐 구조에서 수소를 취급하는 경우 내부의 고압 용기 파열에 적용한 프로빗 함수는 일반적으로 화학 공정에서 사용하는 고압 용기에서의 프로빗 함수를 활용하였다. 따라서 실제 수소충전소에서 사용하는 고압 용기에 대한 파열 확률로 계산한 것과 다르다는 한계가 있다.

다만 시뮬레이션 결과를 통해 폭발 방산구가 커짐에 따라 폭발 과압의 감소 효과가 있음을 알 수 있고 폭발 방산구 크기를 확보하면 안전성 확보가 가능함을 알 수 있다. 하지만 천장의 47% 정도의 폭발 방산구 크기를 확보하는 데 현실적으로 무리가 있을 것으로 판단된다. 따라서 자연 또는 강제 환기를 통해 내부의 수소 농도를 낮추는 방안 및 수소 누출량을 제어할 수 있는 방안이 필요할 것으로 판단된다.

본 연구 결과가 패키지형 수소충전소와 같은 반밀폐 구조에서의 안전관리 방안 확보에 도움이 될 것으로 생각한다.