 패키지형 수소충전소의 정성적 위험성 평가
출처 : 호서대학교대학원 석사학위 논문
지구온난화로 인한 이상기후가 확산되며, 자연재해가 급증하고 있다. 2015년 12월 12일 전 세계 국가들이 온실가스 감축을 위해 프랑스 파리에서 파리기후변화협약을 맺었다. 목표는 산업화 이전 시기 대비 지구 평균기온 상승폭을 2도보다 낮은 수준으로 유지하는 것이었고, 195개국이 협약에 서명하였다. 온실가스 감축을 위해 기존에 사용하던 화석에너지를 신재생에너지로 전환해 사용해야 한다. 그 중에 수소는 미래의 이상적인 에너지로 물이 주원료이며, 연소해도 연기를 뿜지 않아 수소에너지를 중심으로 수소사회가 실현될 것으로 전망하고 있다.
글 : 유승훈(호서대학교 안전환경기술융합학과) / 이광원(호서대학교 안전소방학부 지도교수)
Ⅰ. 서론
본 연구는 국내 수소충전소 중 개발단계에 있는 패키지형 수소충전소에 대한 법규 검토 및 정성적 위험성 평가인 FMEA기법과 HAZOP기법을 이용하여 패키지형 수소충전소의 전반적인 위험성요소를 도출하고 검토하여, 설계적으로 위험한 부품 및 운전상 주의할 공정을 파악해 작업매뉴얼 마련에 대한 근거 자료로 사용할 수 있다. 향후 패키지형 수소충전소의 FTA 같은 정량적 위험성 평가의 기반 자료 및 수소충전소 인프라구축에 도움이 될 것으로 사료된다.
Ⅱ. 이론적 배경
1. 수소충전소의 종류
수소충전소는 수소의 공급방식에 따라 On-site공급방식과 Off-site공급방식으로 나뉜다.
On-site방식 수소충전소는 천연가스, LPG 등을 탈황공정을 거쳐 황 및 불순물 제거 후 수증기를 이용해 개질하거나 물을 전기분해하여 수전해 방식으로 수소를 생산하여 수소전기차 및 수소버스에 충전하는 방식이다. 수소를 생산하기 위해서는 개질 장치 및 수전해 장치가 필요하기 때문에 초기 설치비용이 높은 대신 운송료를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
Off-site방식 수소충전소는 수소생산지역에서 수소충전소까지 파이프라인 또는 튜브트레일러로 수소충전소까지 이송하는 형태로 수소이송에 따른 운송비용 및 시간이 발생하지만 수소를 대량으로 생산하여 수소가 저렴한 편이다.
 [그림 1] On-site방식 수소충전소
 [그림 2] Off-site방식 수소충전소
2. 국내 수소충전소 운영 현황
한국 가스공사의 ‘수소산업을 위한 관련법의 규제 해소 방안’에 따르면, [표 1]과 같이 국내 수소 충전소는 17년 기준으로 19개소의 수소충전소가 건설되었다. 운영 불가이거나 폐기된 곳을 제외하면, 상암, 인천, 울산, 대구, 광주, 충남 등 10곳이 현재 운영 중이다. 또, 울산, 광주, 강릉, 평창, 창원 등 6곳이 추가로 지어지고 있다.
수소충전소는 구축 초기에 대부분 350bar의 충전압력을 사용할수록 설계되어있다. 이후 기술의 발달로 최대 700bar까지 충전할 수 있는 수소충전소가 건설되어 350bar와 700bar 겸용으로 충전할 수 있는 시스템을 가지고 있다.
정부는 관계부처합동으로 「수소차 보급 및 시장 활성화 계획」을 확정·발표(2015년 12월 15일, 국무회의)하였는데, ‘2030년, 수소차 10% 시대(신차 판매량의 10%)’를 비전으로, 연차별 보급목표와 5개 분야별 추진과제를 시행중이다. [표 2]를 보면 수소차와 수소충전소 연차별 보급계획이 표시되어있다.
3. 국내수소충전소 관련 사고 사례
국내, 국외 수소충전소 사고현황을 분석하여 사고경향을 파악하는데 목적을 두고 조사 분석하였다.
가. 국내 수소충전소 관련 사고 사례
국내의 경우 2001년 5월 화성에 현대자동차 연구소부터 2016년까지 19개의 수소충전소가 완공되었고, 총 10개의 충전소가 가동되고 있다. 그 중 2005년과 2010년도에 두건의 수소충전소 사고가 있었으며, 다행히 사고가 크지 않았다. 우리나라 수소충전소의 경우 일본에 비해 수소충전소 보급이 많이 되어있지 않아 사고 건수가 매우 적다. 그래서 사고유형을 분석하기가 어렵다. 그렇기 때문에 수소충전소와 구조가 비슷한 LPG충전소와 CNG충전소의 사고통계를 조사하였다.
[표 3]을 보면 2000년부터 2016년까지의 사고를 조사, 파악한 결과가 나와 있다. LPG충전소 28건, CNG충전소 7건으로 조사되었다. LPG충전소의 사고는 대부분이 인적 오류였고, 충전호스에 관한 사고는 1건으로 가장 적었다. CNG충전소의 사고는 저장탱크/용기에서 사고발생률이 5건으로 비교적 높게 나타났다. 즉, 인적 오류 및 저장탱크/용기에서 위험이 높다.
[표 4]를 보면 LPG충전소 및 CNG충전소 사고유형의 수가 나타나 있다. 사고유형으로는 단순 누출이 가장 많았고, 다음 폭발이 많았다. 누출과 폭발이 사고유형으로 많은 것으로 보아 누출이 일어난 후 폭발사고가 이어질 수 있다고 보여진다.
나. 국외 수소충전소 관련사고 사례
H2tools(수소 및 연료전지 기술의 사고대응기관) 자료에 의하면, 2007년부터 2012년까지 8건의 수소충전소 사고가 보고되었다. 누출 4건, 화재3건, 재해없음 1건으로 부적절연결(인적오류), 실린더, 디스크 깨짐, 밸브 용접부, 샤프트 누설로 사고가 일어났다. 위의 수소사고를 보면 누출사고가 가장 많아 국내 CNG, LPG 충전소처럼 누출 이후 폭발사고가 이어질 수 있다고 보여진다.
일본의 경우 2002년 오사카에 있는 충전소부터 2016년까지 79기의 수소충전소가 보급되었고, 그 중 62건이 발생하였다. [그림 3]을 보면, 2015년 이후 수소충전소 사고가 급격히 증가하고 있는 것을 볼 수 있다.
 [그림 3] 일본 내 수소충전소 사고
 [그림 4] 일본 내 충전소의 사고유형
2016년도 데이터를 보면 79개의 충전소 중 24건의 사고가 일어났고, 그 중 12건이 다량의 수소 누출이었다. 전체사고의 50%를 차지하는 누출은 기기 및 배관, 체결부, 개폐부 등 여러 곳에서 누출이 일어났고, 화재, 폭발은 한 건으로 가장 적었다. 국내 CNG 및 LPG 사고와 비교했을 때와 다르게 누출이 일어나도 공기 중 확산이 빠르고, 폭발범위가 넓어 다른 가연성 가스보다 위험하지만, 그만큼 관리가 잘되어 있다고 여겨진다.
4. 패키지형 수소충전소의 위험성 평가
가. 패키지형 수소충전소 개요
‘융·복합 및 패키지형 자동차충전소 시설기준 등에 관한 특례기준’에 의하면, 패키지형 수소충전소는 수소자동차의 충전에 필요한 설비(필요한 경우 충전기는 제외할 수 있다)를 하나의 보호함에 장착한 충전시설을 일정한 장소에 배치하고 수소를 연료로 사용하는 자동차에 압축수소를 충전하는 것이라 정의된다.
정성적 위험성 평가인 FMEA, HAZOP 평가에 패키지형 수소충전소P&ID(Pipe & Instrument Diagram)를 사용하였고, P&ID를 보면서 공정흐름을 이해하였다. FMEA를 평가하기 위하여 노르웨이 석유협회에서 작성한 신뢰도 데이터북 OREDA(Offshore Reliability Data) 2015버전을 참고하였다. 고장형태와 경계(boundary)를 정의하였고, 고장 원인 및 영향에 대해 예측하여 평가에 사용하였다. [그림 5]와 같이 패키지형 수소충전소의 NODE를 나누어 각각의 설계의도에 대한 공정 위험요소를 분석하였다.
 [그림 5] 공정 위험요소별 NODE 구분
나. Failure Mode Effect Analysis 개요 및 평가절차
1) FMEA 평가 개요
이상위험도분석(FMEA, Failure Mode Effect Analysis) 기법은 고장형태와 영향분석 기법에 관한 내용을 제시함으로써 사업장에서 공정리스크 평가를 보다 효율적으로 수행할 수 있도록 지원하는 데 목적이 있다. FMEA 기법은 전형적인 상향식(bottom-up) 귀납적 분석방법이며 정성적인 위험성 분석기법의 대표라고 할 수 있다. 특히 다음 상위수준의 기능적 제품에 미치는 영향을 연구하는 데 매우 적합하기 때문에 고장형태와 영향분석 공정리스크 평가를 수행하는 사업장에 적용가능하다.
2) FMEA 평가절차
FMEA 분석방법으로는 대상 시스템의 분석을 통하여 의미 있는 부품들로 나누어 고장형태를 예측하고 고장 원인 및 영향에 대하여 검토하여, 치명도, 발생도, 검출도를 분석하고 위험우선순위(RPN : Risk Priority Number)를 결정한다.
다. Hazard & Operability study 개요 및 평가절차
1) Hazard & Operability study 개요
HAZOP(Hazard & Operability study) 기법은 위험성(Hazard)와 운전성(Operability)을 정해진 규칙과 설계도면에 의하여 여러 전문분야의 구성원들로 이루어진 분석 팀이 조직적으로 난상토론을 하는 과정에서 시스템의 위험요소들과 운용상의 문제점을 규명하는 것이다. 이 기법은 가이드 워드(Guide word)를 통해 운전상의 이상요인이 발생하여 운전상의 문제가 얼마나 심각한지 파악할 수 있는 기법이다.
HAZOP의 분석목적은 의도된 설계기능이나 조건 등을 포함하여 제품이나 시스템의 상세한 설명을 제공할 뿐 아니라, 시스템이나 제품의 모든 부분을 체계적으로 검토함으로써 설계의도로부터의 일탈이 어떻게 발생하는지 파악하여, 일탈들이 운전공정 시 어떠한 위험이나 사용상의 문제를 초래할 수 있는 지를 결정하기 위한 것이다. HAZOP은 검토구간(Node), 변수(Parmeter), 이탈(Deviation), 가이드 워드(GUIDE WORD)를 정하여 위험요소를 도출해야 한다.
2) HAZOP 평가절차
목적 및 분석 범위를 설정한다. 보통 P&ID에서 검토 가능한 설비구간 범위를 전문가가 속해있는 분석평가팀에서 선정한다. 지나치게 많은 분석 대상은 많은 노력과 시간이 투자되기 때문에 위험성이 높은 부분을 검토구간으로 설정한다.
Ⅲ. 패키지형 수소충전소의 위험성 평가 결과
1. Failure Mode Effect Analysis 평가결과
각 부품에 대한 고장형태, 원인 및 영향에 대해 예측하였다. 그로 인한 피해를 심각도, 발생도, 검출도를 5점법으로 기준을 잡아 RPN값을 계산하였다.
RPN값을 종합하였을 때, 가장 높은 점수가 60점이고, 가장 빈출도가 높은 점수는 12점으로 총 286개가 도출되었다.
총 1천485개의 RPN값 중 우선적으로 조치해야 한다고 판단되는 점수를 40점 이상으로 판단했고, RPN값이 40점 이상인 개수는 10개로 도출되었다. 이를 통해 패키지형 수소충전소의 설계도면상에서 예측되는 위험 중 우선적으로 조치를 해야 하는 것이 10가지이며, 이는 평가기준에 따라 늘어나거나 줄어들 수 있다.
RPN이 41이상인 High RPN 부품과 그 고장형태에 대해 [표 5]에 정리하였다.
High RPN 부품 중 개선해야할 부분으로 수소라인에 있는 PSV(Pressure Safety Valve)와 디스펜서 내에 수소를 쿨링하는 라인 NV(Needle Valve)를 확인할 수 있다. 주된 고장형태로 막힘과 열림 실패가 있었고, 개선하기 위해 밸브를 보수(Ball Valve)하거나 배관 분리 시 이물질이 유입되거나 결합하자가 발생하지 않도록 주의해야 한다. 대부분의 부품의 고장 형태로 수소 외부누출이 예상되었고, 이를 개선하기 위한 조치사항으로 밸브와 배관의 체결확인 및 시운전을 통한 밀봉(Sealing)이 정상적으로 되었는지도 확인해야 한다.
RPN은 심각도, 발생도, 검출도의 곱으로 계산되기에 심각도가 높게 도출되어도 발생도와 검출도의 점수가 낮은 경우 RPN값도 낮게 계산된다. 그렇기 때문에 높은 심각도를 가져도 영향의 원인이 개선조치의 우선순위에서 배제될 수도 있다. 그렇기에 평가한 RPN값 중 혹시나 놓치고 있는 부분이 있는지 검토하기 위하여 심각도가 5점인 고장형태를 정리하였고, 심각도가 5점인 고장형태는 다음과 같다.
- 외부 / 내부 누출로 인한 수소 누출 및 폭발
- 구조적 결함으로 인한 수소누출 및 밸브 파손
- 열림/닫힘 실패로 인한 긴급상황 발생 및 폭발
- 막힘으로 인한 밸브 및 배관 파열
권고조치 사항은 다음과 같다.
- 수소누출 및 폭발로 인한 경고문구 표시 또는 보호가드 설치 확인
- 밸브 및 배관 파열로 인한 설치 전 제품, 밸브 검사 철저
- 긴급 상황 시 작업자에 대한 공정 매뉴얼과 정기 교육 실시
2. Hazard & Operability study 평가결과
NODE 1(수소공급시스템)에서는 가이드 워드(GUIDE WORD)의 FLOW에서 No flow에 대한 위험등급이 높음이 확인되었다. 개선권고 사항에 압축기 압력 감지기로 공정은 정지되지만 점검 및 유지 보수할 수 있는 개선권고 사항이 도출되었다.
NODE 2(저장시스템)에서는 가이드 워드의 압력(Pressure)의 이탈변수 Vacuum이 위험등급이 높았다. 압축기의 고압운전 시 압축기와 튜브트레일러 사이에 진공이 발생할 수 있어 압력 지시계, 트랜스미터, 알람이 부착되어있지만 PALL(Pressure Alarm LOW LOW) 설치 고려가 도출되었다.
NODE 3(충전시스템)에서는 전체 NODE에서 가장 낮은 위험도가 도출되었다. 그중 주변 화재나 누출 등 충전기능 및 인명피해를 줄 수 있는 부분에서 위험도가 가장 높았다. 권고조치 사항으로는 주변화재에 대해 안전밸브가 있었으나 주변 가연성 물질제거와 화재 검지기(Fire detector) 설치가 고려되었다.
NODE 4(질소시스템)에서는 전체공정에 대해 컨트롤하는 공정이어서 공정정지에 대한 위험도가 높게 도출되었다. 권고조치 사항으로는 질소봄베의 완전 소진에 대한 교체 및 관리가 중요하였으며 이를 주기적으로 관리해야 한다는 점이 도출되었다.
Ⅳ. 결론
본 논문에서 친환경에너지인 수소를 이용한 수소충전소에 대해 법 분석을 해보았고, 수소충전소의 인프라 구축 문제점을 해결해줄 수 있는 방법 중 하나인 패키지형 수소충전소에 대하여 정성적 위험성 평가인 FMEA와 HAZOP을 수행하였다. off-site방식인 패키지형 수소충전소의 정성적 위험성 평가 목적은 전반적인 시스템의 위험성 검토와 분석을 통한 위험요소 인지와 불필요한 요소 배제 및 안전성이 보장된 연구를 할 수 있도록 하는 것이다.
패키지형 수소충전소의 정성적 안전성 평가인 FMEA에서는 패키지형 수소충전소의 부품을 23개 나누어 패키지형 수소충전소의 공정 범위를 정했다. 또한 노르웨이 석유협회에서 작성한 신뢰도 데이터북인 OREDA(Offshore Reliability Data) 2015 버전을 참고하여 고장 정의를 정하여 고장형태, 원인 및 영향에 대해 예측하였으며 FMEA를 수행하였다. 각각의 부품별 기능을 정리하고, 심각도, 발생도, 검출도를 정해 RPN값을 도출하였다. 평가 결과, 총 1천485개의 고장 모드(failure mode)를 정하였으며, 그에 따른 영향, 원인에 대한 권고조치사항을 제시하였다. 심각도, 발생도, 검출도는 5점법을 사용하여 기준등급을 정했으며, 10 이하인 고장 모드는 347개, 11에서 20 이하는 687개, 21에서 30 이하는 354, 31에서 40 이하는 93개가 도출되었고, 41 이상 높은 점수가 나온 고장 모드는 4개로 도출되었다. 이를 바탕으로 패키지형 수소충전소의 설계도면상에 예측되는 위험 중 우선적으로 조치를 해야 하는 것이 4개로 도출되었다.
HAZOP 분석 결과 2등급 이상 위험한 비정상상태에 대한 위험성 및 대책을 살펴보면 다음과 같다.
NODE 1(수소공급시스템)
- 32개의 비정상상태 도출(평균등급: 4.36)
- More flow(3등급) → 200bar 이상의 수소가스가 공급되어 안전밸브 작동으로 수소가 손실되고, 압축기가 가동 중지되며, 297bar 이상의 압력 시 각종 기계류 손상이 예상된다. PAHH(Pressure Alarm HIGH HIGH) 설치가 고려된다.
- No flow(2등급) → 압축기 고장으로 가동정지가 예상되며, 개선권고 사항은 압축기 압력 감지기로 공정은 정지가 예상된다. 정기적인 점검 및 유지 보수를 통한 예방이 고려된다.
- High Temperature(3등급) → 트레일러 주변의 외부화재로 인한 고온발생으로 압축기 손상이 예상된다. 트레일러 주변의 가연물이 없게 표지판 설치 및 정기적 점검을 통한 예방이 고려된다.
NODE 2(저장시스템)
- 29개의 비정상상태가 도출(평균등급: 4.57)
- Vaccum(2등급) → 압축기의 고압운전 시 압축기와 튜브트레일러 사이에 진공 발생이 예상된다. 압력 지시계, 트랜스미터, 알람이 부착되어 있지만 PALL(Pressure Alarm LOW LOW) 설치가 고려된다.
- HIGH PRESSURE(3등급) → 저장탱크 주변 화재로 온도가 상승되어 고압발생으로 인한 폭발위험 증대가 예상된다. 탱크 가연물이 없게 표지판 설치 및 정기적 점검을 통해 예방하고 FD(Fire detector) 설치가 고려된다.
NODE 3(충전시스템)
- 28개의 비정상상태 도출(평균등급: 4.78)
- HIGH PRESSURE(3등급) → 저장탱크 주변 화재로 온도상승이 되어 고압발생으로 인한 폭발위험 증대가 예상된다. 탱크 가연물이 없게 표지판 설치 및 정기적 점검을 통해 예방하고 FD(Fire detector) 설치가 고려된다.
- LOW PRESSURE(3등급) → 전체 배관 및 밸브, 저장탱크의 누출(Leak)이 발생하여, 수소가스 누출 및 화재위험 분위기가 조성되고, 수소충전지연이 예상된다. 정기적 점검 및 유지보수를 실시하고, PAL(저압알람) 설치가 고려된다.
NODE 4(질소시스템)
- 18개의 비정상상태 도출(평균등급: 4.52)
- HIGH, LOW FLOW(2등급) → 질소봄베의 완전 소진시 공정정지가 예상된다. 질소봄베가스에 대한 교체 및 관리를 위해 주기적으로 관리가 고려된다.
HAZOP평가 결과 전체적인 위험등급평균은 4.52가 나와 전체적으로 위험등급이 높지 않았지만, 압축기의 원인으로 인한 위험도가 높은 것을 확인할 수 있었다. 개선권고조치 사항으로는 공정안의 부품이나 흐름을 더 안전하게 하기위해 부품교체 및 추가가 이상적으로 좋으나 비용문제가 있다.
이와 같이 정성적 위험성평가인 FMEA와 HZAOP을 수행하여 패키지형 수소충전소의 전반적인 위험성 검토와 분석을 통한 설계적 문제점이 없는지, 운전상 주의할 점은 무엇인지 등에 대해 검토하였다. 우리나라 실상에 맞는 패키지형 수소충전소 인프라가 구축되며, 운전원 개개인의 안전수칙 준수 및 체계적인 안전계획을 수립하여 안전에 기여할 것으로 사료된다.
※ 본 논문은 요약본으로, 보다 자세한 내용은 호서대학교 안전소방학부에 문의해 확인할 수 있다.
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