지난 16일부터 3일간 제주도 칼 호텔에서는 ‘고효율 수소에너지 제조․저장․이용기술 개발 프론티어사업단(단장 김종원)’의 제2회 워크샵이 개최됐다.
이번 행사는 지난 2002년 10월 사업단이 공식 출범한 이후 2차년도 사업을 마무리하고 2단계 사업을 시작하는 시점에서 그동안의 연구성과를 대내외적으로 알리고 연구원들간의 정보교류를 활성화하기 위해 마련된 것으로 국내 수소에너지 전문가 및 업계관계자 2백여명이 참석, 성황을 이루었다.
특히 사업단의 2단계 사업이 시작되는 올해에는 수소충전소 건설 등과 같은 가시적인 성과들이 하나둘 도출될 것으로 예견되고 있어 어느때보다 많은 관심이 집중됐다.
아래에 기술된 내용은 워크샵 기간동안 발표된 총 43편의 보고서 중 하나를 기술한 것으로서 독자들의 이해를 돕기 위해 원문(原文)에 편집자의 부가설명과 첨언, 각색이 더해졌음을 미리 밝혀둔다.
수소(H2)가 나무, 석탄, 가스, 석유 등과 같은 화석연료의 고갈에 대비한 미래에너지로서 인류를 에너지난에서 영원히 구원해줄 최적의 자원이라는 사실에는 누구도 이견을 달지 않는다.
‘수소에너지’라는 단어 앞에 자연스럽게 따라붙는 친환경, 무공해, 차세대, 고효율, 무한(無限), 청정(淸淨) 등의 수식어만으로도 인류가 에너지로서 수소에 대해 거는 기대가 어느 정도인지를 짐작할 수 있다.
그러나 이같은 수소의 다양한 효용성에도 불구하고 수소가 에너지로서 실생활에 적용되기 위해서는 앞으로도 수많은 기술적 과제들을 극복해내야만 한다.
특히 그 어떤 고압가스보다도 강한 폭발성을 지니고 있는 수소의 특성상 생산(제조), 저장, 운송, 충전, 이용 등에 있어 안전성의 확보는 매우 중요한 선결과제로 꼽힌다.
아무리 깨끗하고 효율적인 에너지일지라도 안전이 확보되지 못한다면 무용지물에 불과하기 때문이다.
산업용가스로서 수소는 반도체, 광섬유, 정유 탈황, 제약 등 다양한 분야에 사용되고 있지만 에너지로서의 용도는 우주항공(우주선발사체연료)을 제외하면 전무(全無)한 것도 이러한 취급의 위험성 및 안전성 확보의 어려움에 기인한 결과로 볼 수 있다.
즉 수소를 에너지 전달체로 이용하기 위해서는 수소가 지닌 다양한 물성 매커니즘 해석과 폭발위험성 제어 등의 문제가 선결되어야 하며 수소이용 기기들의 안전성에 대한 충분한 조사가 요구된다.
본 연구는 수소사고사례 분석을 통해 수소사고의 물리적 현상에 대한 체계적 이론정립, 수소의 이용과정에서 발생가능한 누출․확산․점화․폭발 등의 물리적 매커니즘 파악, 수소제조․이용설비의 위험성 및 사고빈도 정량화, 사고피해 분석을 통한 위험성 예측, 그리고 이를통한 각종 안전관리기술 개발과 표준화 코드 개발, 최적 관리시스템 구축 등을 목표로 하고 있다.
[국내외 안전관리 기술개발 현황]
수소의 안전관리와 관련해 이용분야에서의 위험성 평가는 수소사고의 위험성을 정확히 파악하고 사고를 사전에 차단할 수 있는 기술 개발을 목표로 하는 것으로 공정상 수소가스사고의 발생경로 및 빈도 분석, 누출․폭발 등 수소사고의 물리적 현상 연구, 수소사고 차단기술 등 3가지 영역을 기반으로 하고 있다.
현재 가스폭발에 관한 일반적인 연구는 선진 각국에서 활발히 진행되고 있는데 미국의 FM과 UL을 비롯 영국 EECS, 독일 PTB, 일본 산업안전연구소, 프랑스 에꼴대학, 노르웨이 표준물질연구소(CMR) 등이 대표적인 연구기관이다.
이들은 화염 방지장치(flame arrester)에 대한 연구도 함께 수행하고 있으며 독일 PROTEGO社, 영국 AMAL社, 캐나다 WESTEK社 등이 연구결과를 토대로 관련제품을 상용화하여 출시한바 있다.
구체적으로 살펴보면 프랑스 국립산업환경연구소(INERIS)에서 광범위하게 유출된 액체수소에 의해 만들어진 ‘수소-공기운(hydrogen-air cloud)’의 형성과정과 폭발에 대한 영향을 연구, 분석, 평가한바 있으며 독일의 W.Rehm은 CFD(Computational Fluid Dynamics)의 해석을 통해 수소가스 안전기술을 위한 방화, 방폭 특성을 연구했다.
미국 또한 STA(Sunline Transit Agency)가 국내와 유사한 개념의 ‘21세기 수소에너지 상업화 프로젝트’에 착수, 수소의 안전관리기술들을 포괄적으로 수용할 수 있는 범용화 사업을 전개했으며 EERE(에너지효율 및 신재생에너지)프로그램과 국립신재생에너지연구소(NREL)에서는 수소에너지의 안전․코드․표준규격 등과 관련한 다양한 연구를 수행하고 있다.
이와함께 수소사고 차단기술의 경우 수소검지센서 개발, 수소취성(hydrogen embrittlement) 방지를 위한 재질 선정, 화염방지기 기술개발 등이 주로 전개되고 있으며 수소사고의 물리적 현상은 수소의 물리적․화학적 특성을 중심으로한 화재폭발 관련 연구에 집중되고 있는 상황이다.
특히 선진국의 경우 가스폭발의 피해를 보다 과학적이고 체계적으로 검토하기 위해 안전성 평가를 수치화하기 위한 노력을 전개하고 있다.
이러한 노력의 산물로서 독일의 RiSA, 네덜란드 TNO의 AutoReaGas, 노르웨이 CMR의 FLACS, 영국 AEAT의 CFX 등과 같은 수치해석 소프트웨어들이 이미 상용화되어 있으며 오차범위 최소화를 통한 신뢰성 향상과 계산속도 증진을 위해 체계적인 연구를 지속하고 있다.
반면 지난 2003년 하반기에야 정부차원의 대규모 국책프로젝트를 중심으로 수소에너지 관련 기술개발에 본격 나서고 있는 우리나라는 수소사고의 위험성에 대한 정량적 평가기술 연구가 극히 미미한 실정이다.
일반적 가스시설에 대한 정량적 평가기술은 한국가스공사, 한국가스안전공사, 호서대학교 등에서 일부 연구를 수행하고는 있지만 수소에 대한 평가기술은 연구는 거의 없다고 해도 과언이 아니다.
지난 86년 한국기계연구원이 탄광용 방폭기기 시험 업무를 시작하면서 가스폭발 및 방지에 대한 연구가 일부 시도되기는 했지만 국내 여건상 시장성이 없는 기반기술로 인식돼 연구가 활성화되지 못했다.
이러한 이유로 현재 방폭기기 시험이 가능한 기관은 산업안전공단, 한국가스안전공사, 호서대 산업안전기술연구센터 등에 불과하다.
한편 위에 언급된 연구기관들의 대다수는 국가기관 또는 공적(公的) 성격을 띤 연구소로서 수소를 포함한 모든 가연성가스를 대상으로 폭발위험성연구, 안전관리기술개발 등을 수행하고 있으며 수소만을 전문적으로 연구하는 기관은 아직까지 찾아보기 어려운 상태이다.
[주요 연구내용 및 성과]
□ 안전성평가기법 확립
수소에너지의 다양한 메리트를 실용화․보급화하기 위해서 반드시 확보해야하는 것이 안전이며 이를위해 수소의 생산․이용․저장시 발생가능한 위험들을 분석할 수 있는 안전성평가기법과 안전관리시스템 구축은 매우 중요하다.
이와관련 연구팀은 지난해 1단계 사업의 일환으로 위험성 평가기술의 적용, 정성(定性)․정량(定量)적 안전성 평가시행, 사고빈도 위험성 계산 등을 위한 신뢰도 데이터베이스 구축프로그램과 데이터베이스프로그램을 개발했다.<표-1>
프로그램과 관련해 수소설비에 사용되는 부품의 목록, 부품별 고장유형 등의 기초 자료는 수소관련업체들의 협조를 받아 정의내릴 예정이며 각 부품의 고장회수, 사용년도 등도 조사하여 데이터의 신뢰성을 높여나갈 계획이다.
기초자료가 부족한 경우에는 자료부족시의 처리방법연구를 통해 현실에 맞는 신뢰도 데이터를 산출하게 된다.
이와함께 연구팀은 수소설비의 설계도면, 운전매뉴얼, 설비제조자 매뉴얼, 설비․부품리스트 및 사양서, 설비․부품 유지보수내력, 안전장치리스트, 배관재료 및 사양서, 공장취급물질 및 MSDS, 방폭설비리스트 및 구역도, 저장탱크․압력용기 검사서, 배관 비파괴 검사서, 기존 안전성평가 시행결과 등의 자료를 수소설비업체에 요청하여 수소설비의 정량․정성적 안전성을 평가중에 있다.
특히 해외의 수소설비 안전관리시스템 운용사례 자료를 수집, 국내 상황과 비교․검토하여 참고자료로 사용중이다.<표-2>
□ 폭발방호․차단장치 특성 연구
수소배관 내부의 수소가스 폭연 및 폭굉 특성 연구를 위해 직경 100㎜, 길이 12m의 배관에 수소-공기, 수소-산소 혼합가스를 주입하여 폭발실험을 실시했다.<표-3>
실험결과 수소-공기 혼합가스는 수소의 농도가 50%에 이를때까지 폭굉속도가 빨라졌지만 50%를 넘어서면 속도가 조금씩 감소했다. 반면 산소-수소 혼합가스의 경우 수소농도와 폭굉속도가 정비례하는 것으로 나타났다.
즉 당량 혼합비 보다 수소의 농도가 높은 범위에서 폭굉속도가 빨라진다는 사실을 알수 있으며 이는 수소의 밀도가 매우 작기 때문으로 판단된다.
또한 연구팀은 270리터와 20리터 용기에 수소-공기 혼합가스를 충전, 폭발실험을 실시하고 화염의 움직임을 고속촬영함으로서 수소의 폭발화염 전파현상을 가시화할 수 있었다.
이 실험결과 수소 화염의 전파속도는 약 337.27㎧로 나타났다.
□ 수소안전관리기술기준안 마련
수소관련법 제정과 이에대한 토론의 기반을 마련하기 위해 수소안전관리법 초안을 마련했다.
이를위해 일본의 수소가스 및 고압가스 안전관리법, 기준코드 등을 수집분석하였으며 고압가스안전관리법, 액화석유가스안전및사업관리법, 도시가스사업법 등 국내 고압가스 3법을 조항별로 비교검토했다.
초안작성에 앞서 기존 고압가스 3법에의 수소에너지안전관리법 통합가능성을 살펴보았지만 법의 성격이 맞지 않거나 기존 조항과의 충돌 등과 같은 이유로 현행 법규로 수소관련법을 포괄하는 것은 어렵다는 결론이 내려졌다.<표-4>
한편 원자력에너지를 활용, 대량의 수소를 생산해내는 ‘원자력수소기술’의 경우 차세대원전개발사업의 일환으로 별도의 사업단에서 연구를 진행하고 있는 만큼 이번 초안에는 포함되지 않았지만 국가적 차원에서 양 사업단이 협의하여 통합된 법규정을 제정하는 것이 가장 바람직한 방안으로 보여진다.
이에따라 연구팀은 올해내에 원자로수소사업단과 접촉하여 수소제조공정 중 원자로 이용공정, 안전관련법령 등을 협의․연구할 계획으로 있다.
또한 지금까지 얻어진 연구결과들을 바탕으로 수소설비에 대한 정성․정량적 안정성 평가 실시 및 신뢰도 D/B프로그램, 베이즈(Bayes)프로그램을 완성할 예정이며 밀폐공간에서의 수소가스 폭발위험 해석모델 등도 개발해낼 방침이다.
[수소의 안전성과 위험성]
미국 조지워싱턴 대학 산하의 BTI(Breakthrough Technologies Institute) 연구소는 지난해 6월 ‘수소와 법제도 - 안전과 책임’이라는 제하의 연구보고서를 통해 “수소는 기존 연료보다 높은 안전성을 지니고 있으며 일부 예상되는 문제점들 또한 기술적으로 충분히 극복 가능하다”고 밝혀 관심을 모았다.
보고서에서 BTI는 미국 DOT(에너지국), 미국소방협회(NFPA), 국제유조선선주오염방지연합(ITOPF), 미국소비자보호안전위원회(CPSC) 등의 자료를 인용하여 천연가스, 가솔린, 석유, 프로판, 전기 등 현재 사용되고 있는 에너지들의 사고사례를 분석하고 이를통해 수소의 안전성을 우회적으로 강조했다.<표-5>
실제로 천연가스는 지난 86년에서 2003년까지 18년간 미국내 3백60개 업체에서 총 3천8백73건의 사고가 발생, 1천5백96명의 인명피해와 6억6천8백만달러(약 7천3백50억원)의 재산피해를 입힌 것으로 나타났다.
같은 기간 가솔린(휘발유)도 원유(原油) 수입․정제업체와 관련해서만 1천3백여건의 사고로 인명피해와 재산피해가 각각 254명, 8억5천7백만달러에 달했으며 1백80만배럴의 원유가 유실됐다.
주유소 등 2차 유통업체에서도 매년 7천4백여건의 사고가 발생해 1천8백만달러의 재산피해가 나타나는 것으로 조사됐다.
프로판가스 또한 가정용 LP가스 사고(1천6백건)와 가스그릴 사고(6백건)를 합쳐 연간 약 2천여건이상의 사고가 일어나고 있으며 전기의 경우에도 누전 등에 의한 가정내 화재사고(연간 3만8천여건)로 재산 6억6천9백만달러, 인명 1천4백여명의 피해가 발생하고 있다.
전기와 관련 감전에 따른 사망자도 연간 4백명에 이르는 것으로 집계됐다.
이와달리 수소는 미국내에서 연간 9백만톤이 생산되고 6백마일(약 965.6㎞)에 걸친 파이프라인과 트럭, 카트리지 등을 통해 소비자들에게 운송(유통)되고 있지만 기존 연료들과 비교할 때 수소가스 사고는 극미한 수준에 불과하며 수소 수요처에서의 대형 사고도 아직까지 보고된바 없다고 BTI는 설명했다.
이에더해 BTI는 비독성, 신속한 확산성, 낮은 복사열(탄화수소 화재의 10%), 낮은 폭발력(가솔린 기체대비 4.5%), 연기 및 배기가스 미방출 등 수소의 다양한 물성(物性)도 안전성을 높여주는 요인 이라고 덧붙였다.
물론 BTI는 사고발생빈도나 물성만을 가지고 수소가 여타 에너지에 비해 안전하다고 주장하는 것이 아니다.
사고빈도는 연료자체의 물성보다 소비량, 생산․유통․소비환경 등 외적요인에 더 많은 영향을 받는 만큼 특정 산업지역에서 제한된 용도로 사용 중인 수소의 사고발생률이 크게 낮은 것은 너무도 당연하기 때문이다.
단한번의 사고가 대형참사로 직결될 수 있는 원자력발전소가 풍력, 화력, 수력발전소에 비해 위험한 에너지로 인식되어 있는 것처럼 에너지의 안전성은 사고빈도 자체가 아닌 사고발생시 주변에 미치게될 인적․물적피해의 크기를 기준으로 판단해야 한다.
이러한 관점에서 얼마전 미국에서 진행된 가솔린자동차와 수소자동차의 연료탱크 강제파열실험 결과는 수소가 얼마나 안전한 에너지인가를 확실하게 설명해주고 있다.
아래 도표에서 에서 볼 수 있듯이 가솔린자동차는 1분만에 차량전체로 불이 옮겨져 전소(全燒)된 반면 수소자동차는 순간적으로 화염이 치솟은 이후 점차 소멸됐고 차량도 거의 피해를 입지 않았다.
수소자동차가 프로토타입(prototype) 수준임에도 불구하고 충돌, 전복 등에 의한 연료누출시 일반 휘발유자동차에 비해 운전자의 생명과 재산보호에 더 효과적임이 입증된 셈이다.
다시말해 BTI의 주장은 수소가 분명 위험한 폭발성 가스임에는 틀림없지만 기술적으로 기존의 에너지를 능가하는 고도의 안전성 확보가 가능하다는 것이다.
한편 수소의 안전성과 관련하여 지난 99년 INEEL(아이다호국립엔지니어링․환경연구소)는 “수송연료로서 수소의 사용을 제한할 어떠한 안전문제도 예견되지 않는다”고 밝혔고 유럽의 환경안전전문연구기관인 벨로나연구소도 지난 2002년 “수송과정에서 기존 연료에 비해 수소의 잠재위험성은 높지 않으며 몇몇 장소에서는 수소가 여타 연료보다 높은 안전도를 나타낸다”고 설명한바 있다.
에너지원으로서 수소를 가장 많이 취급해본 미국항공우주국(NASA)의 경우에도 “몇몇 사고경험에도 불구하고 수소는 매우 만족스런 에너지 자원”이라는 입장을 표명하고 있다.
