복합수소충전소의 수소가스 폭발사고에 대한 정량적 위험성 평가 연구
Quantitative Risk Assessment of Hydrogen Gas Explosion Accidents at Complex Hydrogen Refueling Station
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Abstract
세계 자동차 시장은 LNG, LPG, 경유, 휘발유를 사용하는 자동차에서 전기와 수소가스를 사용하는 자동차로 변화하고 있다. 정부는 수소경제 활성화를 위해 수소충전소 설치와 수소자동차 보급을 지속적으로 지원하고 있으며, 기존 LNG⋅LPG⋅경유⋅휘발유 충전소에 수소충전소의 추가설치를 허가하고 있다. 본 연구에서는 수소, 휘발유, 경유를 충전할 수 있는 복합 수소충전소에서 수소가스 폭발 사고의 위험성을 평가하였다. 수소충전소 내부의 수소가스 누출사고로 인해 발생한 증기운폭발에서 발생하는 폭발파에 의한 수소충전소 내외부의 피해 정도를 수치해석을 통해 분석하였다. 수소가스의 누출이 증가할수록 증기운폭발이 발생했을 때 인근의 구조물 및 시설물에 심각한 수준의 피해가 발생함을 확인하였으며 이런 연구결과는 향후 수소충전소의 안전이격거리 및 수소설비 배치계획에 활용될 수 있을 것이다.
Trans Abstract
The global automobile market is shifting from vehicles powered by LNG, LPG, diesel, and gasoline toward electric and hydrogen-driven vehicles. To boost the development of a hydrogen economy, the Korean government has been supporting the supply of hydrogen vehicles and permitting the installation of hydrogen refueling stations alongside the existing LNG, LPG, diesel, and gasoline refueling stations. This study entailed an evaluation of the risk of hydrogen gas explosion accidents at a combined hydrogen fueling station that supplies hydrogen, gasoline, and diesel. Numerical analysis was used to examine the extent of damage to the interior and exterior of the hydrogen station caused by the blast wave generated by the vapor cloud explosion resulting from a hydrogen gas leakage inside the station. The results indicate that the severity of the damage to nearby structures and facilities due to the vapor cloud explosion increased with increasing hydrogen gas leakage. The results have applicability in planning the safety separation distance of hydrogen stations and placement of hydrogen facilities.
1. 서 론
지구의 온실효과를 저감하기 위하여 ‘파리협정(Paris Agreement)’에서 지구의 평균 기온 상승을 기존에 2 ℃에서 1.5 ℃ 이하로 제한하도록 하는데 참여국가(195개국)는 동의하였다(Schleussner et al., 2016). 탄소가스 배출의 많은 부분을 차지하는 수송분야에서도 친환경에너지의 사용비중이 증가하고 있으며, 친환경에너지 중 하나인 수소가스는 운송수단 뿐만 아니라 연료전지와 가스터빈에도 다양하게 활용되고 있다. 한국에서는 수소 기술개발 로드맵(2019.10)을 설정하여 2040년까지 수소차를 620만대 생산하고, 수소충전소 1200개소를 건립하는 목표를 세웠다(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2018). 이후 수소 안전관리 로드맵(2023)을 설정하여 승용자동차 외에도 다양한 수송장치(지게차, 트램, 열차, 건설기계, 선박 등)에서 수소를 에너지원으로 사용하도록 독려하였다. 이에 따라 수소충전소 기술기준을 재설정하여 도심지에서의 수초충전소 설치방안, LNG, LPG, 가솔린 등과 같은 타 연료의 충전소와 함께 설치하는 방안, 수소충전소에서의 셀프충전방안 등을 도입하고 있다(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2023). 한국에서는 하이브리드, 전기 및 수소자동차와 같은 친환경자동차의 등록비중이 2014년도 0.7%에서 2023년 6월에는 7.2%로 증가하여 현재는 180만대 이상 등록되어 있다(MOLIT, 2023). 수소충전소도 170기 이상 구축되었으며, 최근에는 단독 수소충전소 보다는 기존의 가솔린, LPG충전소 부지를 활용하여 여러 에너지원을 동시에 충전하는 융⋅복합충전소가 설치되고 있다.
수소충전소에서 수소가스의 누출, 고압의 배관이나 저장용기에서 누출된 가스가 고온이나 스파크 등의 점화원에 의해 점화되어 생성된 제트화염, 그리고 누출된 가스의 증기운에 의한 폭발로 인한 사고가 있을 수 있다. 수소가스는 낮은 증기비중으로 인해 누출될 경우 공기중으로 빠르게 확산되며 넓은 연소범위와 낮은 연소하한계, 그리고 점화에너지가 메탄가스나 가솔린보다 현저히 낮은 0.011 mJ로 누출되는 경우 폭발의 위험성이 높다(European Industrial Gases Association, 2007; Kumamoto et al., 2011).
수소충전소에서의 사고피해를 최소화하기 위해 수소충전소의 안전거리(Park et al., 2022), 안전설비(Park, Park et al., 2021), 위험성평가(Park, Kim et al., 2021)와 관련한 연구들이 수행되었고, 수소충전소나 수소자동차 사고에 안전하고 효율적으로 대응하기 위한 연구들(Sun and Li, 2021; Lee et al., 2022)도 수행된 바 있지만 대부분 제트화염이나 수소충전소 내부를 대상으로 하고 있다. 하지만 국내에서는 수소에너지 공급망을 구축하기 위해 기존 충전소에 수소충전소를 추가하여 복합적으로 활용하는 방안이 검토되고 있으며, 특히 고속도로 휴게소를 중심으로 복합수소충전소가 설립되고 있다. 이에 따라 수소충전소에서의 사고가 인근 영역에 미치는 위험성에 관한 분석이 필요할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 복합수소충전소 내부에서 누출된 가스가 지연점화되어 발생하는 증기운폭발(Vapor Cloud Explosion, VCE)로 인하여 인근 충전소에 미치는 피해 정도를 수치해석을 통하여 분석하였다.
2. 분석 모델
2.1 수소가스 폭발 모델
수소충전소 폭발 수치해석 방법론을 검증하기 위해 수소 텐트 폭발 실험과 동일한 조건에서의 수치해석을 수행하고 실험과 동일한 지점에서의 압력 데이터를 비교하여 수치해석 방법론을 검증하였다. 기존 연구에서 수행한 수소가스 폭발 실험(Kim and Park, 2021) 수행결과(Fig. 1)를 바탕으로 Fig. 2에 동일한 조건의 수치해석 격자를 생성하였다. 수소-공기 혼합 텐트의 크기는 가로, 세로, 높이가 각각 3 m이고, 경계 조건으로 인한 영향을 피하기 위하여 계산 영역의 크기는 가로 및 세로 방향으로 81.5 m, 높이 방향으로 60 m로 설정하였다. 계산을 위해 CutCell 격자를 사용하였으며 계산에 사용된 격자수는 약 880,000개이다. 폭발현상을 모사하기 위해 농도장방정식(Species Transport Equation)과 와류 소산 모델(Eddy-Dissipation Model)을 사용하였다. 계산 초기 수소-공기 체적분율은 실험과 동일한 40%로 공기와 수소가 균일하게 혼합되어 있다고 가정하였으며, 실험과 동일한 지점에 점화원을 지정하여 10-5 s 간격으로 15,000 step 계산을 수행하여 총 0.15 s까지 계산하였다. 수치해석 결과를 실험과 비교하기 위해 점화원으로부터 4.5, 6.5, 11.5, 16.5 21.5 m 위치에 각각 모니터링 포인트를 5개로 선정하여 시간에 따른 압력 데이터를 측정하여 실험값과 비교하였다.
Hydrogen Tent Explosion Full-scale Experiment View and Incident Pressure Setting (Kim and Park, 2021)
Numerical Analysis Area and Grid
계산 전체 영역에 대한 수치해석 결과를 바탕으로 얻은 시간에 따른 압력 데이터를 Fig. 3에 나타내었다. 구조물에 대한 영향이 없는 조건이기 때문에 압력파가 시간에 따라 동심원을 그리며 확산되는 것을 확인하였다.
Pressure Distribution over Time for Numerical Analysis of Hydrogen Tent Explosion
각 지점에서 시간에 따른 압력 데이터를 측정하고 실험과 비교하여, Fig. 4와 같이 시간에 따라 압력파의 전파는 수치해석 결과와 실험 결과가 유사한 양상을 보이는 것을 확인하였다. 각 지점에서 최대압력을 나타낸 표를 확인해보면 최대 압력은 Point 1에서 수치해석의 예측치가 실험값보다 높게 계산되었고 이후 Point 2부터 5까지는 실험값보다 낮게 계산되었다. 실물 실험에서는 포인트별로 9.38, 8.38, 5.71, 4.36, 3.58 kPa이 최대 압력으로 측정되었으며, 수치해석에서는 포인트별로 9.71, 7.17, 4.69, 3.32, 2.45 kPa이 최대 압력으로 측정되었다. 수치해석 결과값이 실험 결과값과 비교했을 때 최대 압력값이 평균 약 83.12% 차이가 발생하여 유의미한 수치해석을 수행할 수 있다고 판단하였다.
Comparison of Experimental and Simulation Analysis of Pressure Change Over Time
2.2 복합수소충전소 모델
튜브 트레일러로부터 수소가스를 공급받는 저장식(Off-site) 수소충전소에서는 튜브 트레일러에서 200 bar로 가압된 수소가스를 압축기로 400 bar로 가압하여 수소저장용기에 저장하고 이를 한번 더 가압하여 820 bar의 수소저장용기에 저장한다. 이렇게 고압으로 저장된 수소가스는 700 bar로 저장하는 수소자동차의 저장용기에 공급장치(Dispenser)를 통해 충전하게 된다.
폭발사고 시나리오의 수치해석을 위해 Fig. 5와 같이 충전소 형상을 반영하여 계산 공간을 생성하였다. 복합 수소충전소의 특성을 반영하기 위해 수소충전소에서 9 m 떨어진 지점에 가로 46 m, 세로 25 m의 주유소 형상을 반영하여 계산에 포함하였다. 복합충전소의 외부 공간은 반지름이 100 m인 반구로 설정하였다. 계산 시간과 정확도를 고려하여 Cut-Cell 격자를 생성(격자수 약 245만개)하였다. 수소-공기 체적분율은 약 42%에서 폭발과압(Blast wave)이 가장 높게 예상되며(HySafe, 2007), 수소충전소의 내체적은 1,322.4 m3이다. 이를 고려하여 계산 초기 수소충전소 내 수소-공기 체적분율을 10, 25, 40%로 세 가지 조건을 선정하여 총 3가지 계산 조건에 대한 수치해석을 수행하였다. 수소 폭발 시 시간에 따른 위치별 압력 데이터를 통해 위험도를 분석하였다.
Schematic Diagram of Complex Hydrogen Refueling Station
3. 계산 결과 및 분석
3.1 복합수소충전소 폭발사고 과압(Overpressure) 분석
수소충전소의 수소 체적분율에 따른 수소 폭발 수치해석 결과를 아래 Fig. 6의 그래프로 나타내었다. 데이터 측정 위치의 높이는 1.5 m이며, 수소 충전소 내부 점화원에서 휘발유 ⋅ 경유 자동차 충전소 방향으로 1 m 떨어진 지점을 Pont 1, 충전소 벽면으로부터 1 m 떨어진 지점을 Point 2로 선정하였다. 수소충전소는 다른 충전소에 비해 루버의 크기가 가장 작은 형상적 특성으로 인해 최대 압력 값이 다른 충전소들에 비해 가장 높은 것으로 나타났다. 충전소 내부인 Point 1을 확인하였을 때, 약 0.04 s에 최고 압력에 도달한 후 압력이 비교적 일정하게 유지되는 것으로 나타났으며, 수소 체적분율이 높을수록 최대 압력에 도달하는 시간이 짧은 것으로 나타났다. 루버가 천장 근처에 존재하여 Point 2에서는 압력 상승이 일부 지연된 것으로 계산되었으며, 약 0.045 s 이후 압력이 최고점을 지난 후 줄어드는 상황에서 압력의 변동(Fluctuation) 폭을 가지며 줄어드는 현상이 발견되었으며, 이것은 내부 구조물에 의한 영향으로 판단된다. 초기 수소 체적분율이 높을수록 압력의 변동 폭이 큰 것으로 나타났다.
According to Volume Fraction Change Graph of Pressure Change Over Time
1.35 kPa 이상에서 ‘Slight injury’ 수준의 인적피해가 발생하고, 16.5 kPa 이상에서 ‘Serious injury’ 수준의 인적피해가 발생하고, 100 kPa 이상에서 ‘Fatality’ 수준의 인적피해가 발생한다. 이러한 폭풍파(Blast wave) 발생에 따른 과압(Overpressure) 분포를 기준으로 Figs. 7, 8, 9를 분석하였다(Debroey, 2016; Kashkarov et al., 2020). Table 1과 같이 수소충전소 증기운폭발에 의한 폭풍파는 주변의 건물 및 설비에 영향을 미칠 수 있다. 특히 지상 설비인 충전기(dispenser)는 파손 및 오작동할 수 있다(CCPS, 1994).
Overpressure of Hydrogen Explosion at 10% Hydrogen Volume Fraction
Overpressure of Hydrogen Explosion at 25% Hydrogen Volume Fraction
Overpressure of Hydrogen Explosion at 40% Hydrogen Volume Fraction
Effects on Buildings and Structures from Blast Waves (CCPS, 1994)
3.2 복합 충전소 수소 체적분율 10%의 수소 폭발 수치해석 결과
복합 충전소의 수소 체적분율 10% 상황에서 수소 폭발 수치해석 결과를 Fig. 7과 같이 나타내었다. 구조적 특성으로 인해 계산시간 0.02 s 만에 충전소 내부 전체 영역이 ‘Serious injury’ 수준의 인적피해 영역에 포함되는 것으로 나타났으며, 이는 계산 마지막 시간인 0.08 s까지 유지되는 것으로 나타났다. 외부 영역은 0.03 s부터 압력파가 전파되는 것으로 계산되었으며, 0.08 s까지 원형 형태로 압력파가 전달되는 것으로 나타났다. 외부에서는 ‘Slight injury’ 수준의 인적피해가 일어날 것으로 예상되는 영역만 계산되었으며, 계산 최종시간에서 약 30 m 이상까지 압력파가 전파되는 것으로 확인되었다.
3.3 복합 충전소 수소 체적분율 25%의 수소 폭발 수치해석 결과
복합 충전소의 수소 체적분율 25% 상황에서 수소 폭발 수치해석 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 높아진 수소 체적분율의 영향으로 인해 계산시간 0.03 s에 충전소 내부 일부 영역에서 ‘Fatality’ 수준의 인적피해 위험 영역이 계산되었으며, 계산시간 0.04 s부터 계산 마지막 시간까지 충전소 내부 전체가 치사에 이를 수 있는 영역이 유지되는 것으로 확인되었다. 압력파는 0.02 s부터 충전소 외부로 전파되기 시작하여 계산시간 0.04 s에는 충전소 측면 일부 구간에 ‘Serious injury’ 수준의 인적피해 영역이 계산되었으며, 0.06 s까지 압력파가 전파되어 디젤과 휘발유를 충전하는 충전소까지 ‘Serious injury’ 수준의 인적피해 영역에 해당되는 것으로 계산되었으며, 구조물의 손상도 예상되었다.
3.4 복합 충전소 수소 체적분율 40%의 수소 폭발 수치해석 결과
복합 충전소의 수소 체적분율 40% 상황에서 수소 폭발 수치해석 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 계산시간 0.02 s에 충전소 내부 트레일러 측 일부 영역에 ‘Fatality’ 수준의 인적피해 영역이 계산되었으며, 계산시간 0.03 s부터 계산 마지막 시간까지 충전소 내부 전체가 ‘Fatality’ 수준의 인적피해 영역이 유지되는 것으로 계산되었다. 압력파는 0.02 s부터 충전소 외부로 전파되기 시작하여 계산시간 0.03 s에는 충전소 측면 일부 구간에 ‘Serious injury’ 수준의 인적피해 영역이 계산되었으며, 0.04 s에는 점화원으로부터 20 m 이내의 대부분 영역이 ‘Serious injury’ 수준의 인적피해 영역으로 계산되었다. 전파되어 디젤과 휘발유를 충전하는 충전소의 대부분 영역이 위험 영역에 해당되는 것으로 계산되었다. 0.08 s에서는 디젤과 휘발유를 충전하는 충전소의 충전기는 16.5 kPa 이상 과압을 받아 고장이 발생할 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 복합 수소충전소의 수소충전소 내부에서 수소가스가 누출되어 내부가 수소-공기 체적분율 10, 25, 40% 조건이 된 경우에 압축기 근처에서 폭발이 발생하는 사고에 대하여 압력파를 분석하였다. 수소충전소의 수소가스 누출로 인한 증기운폭발 해석모델은 수소텐트 폭발실험결과를 토대로 검증했다. 수소텐트 폭발실험에서서의 시간에 따른 압력 값을 수치해석의 결과 값과 비교하였으며 수치해석의 결과가 실험과 유사한 양상을 나타내는 것으로 확인하였다. 모든 계산에서 초기 수소 체적분율이 높을수록 충전소 내부와 외부의 압력 최댓값이 높아지는 경향을 보였다. 수소충전소에서 발생한 증기운폭발 사고로 인하여 인근 건축된 디젤과 휘발유 충전소 구조물에 ‘Serious injury’ 수준의 인적 및 물적피해를 줄것으로 분석되었다. 이에 따라 복합수소충전소 설계할 때에는 수소가스의 제트화염과 함께 폭발사고를 고려한 안전이격거리 및 수소설비 배치 계획이 필요하다.
감사의 글
본 연구는 소방청 재난현장 긴급대응 기술개발 ⋅ 화재진압 훈련체계 기술 연구개발사업(과제번호: 20008021)의 연구비지원으로 수행되었습니다.