[수소안전#7] 고압 수소 저장 및 이송 시의 안전 관리

"고압 수소 저장 및 이송 시의 안전 관리"

수소 경제가 본격화되면서 수소 생산 설비로부터 생산된 수소를 효율적으로 저장하고 유통하는 기술의 중요성이 산업계 전반에서 대두되고 있다. 수소를 대규모로 저장하고 이송하는 방식에는 크게 200 bar 이상의 고압가스 형태와 영하 253도의 극저온을 유지하는 액화 수소 형태가 존재한다. 두 가지 방식 모두 각각의 산업적 효용성과 장단점이 있지만, 현장에 적용되는 공정 안전 기술과 위험 관리 전략은 확연히 다른 방향성을 가진다.

본 블로그에서는 그중에서도 산업 현장과 인프라 구축에 가장 널리 활용되고 있는 고압 수소의 저장 및 이송 단계에서 발생하는 핵심 안전 이슈를 분석하고 설계 단계부터 반영되어야 할 공정안전 관리 전략을 공유하고자 한다.

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AI 활용

고압 수소 취급 중 발생한 사고 사례

2019년 6월 10일 오후 17시 30분경, 노르웨이 샌드비카(Sandvika)에 위치한 Kjørbo 수소충전소에서 예기치 못한 대형 폭발 사고가 발생하였다. 해당 시설은 Nel Hydrogen의 최신 H2Station ® 기술을 기반으로 운영되던 곳으로, 노르웨이의 수소 모빌리티 확산을 상징하는 중요한 인프라였다.

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사고는 차량에 수소를 고속으로 충전하기 위해 900 bar 이상의 초고압을 유지하던 저장 탱크 유닛에서 시작되었다. 고압 탱크 중 하나에서 갑작스럽게 수소가 누출되기 시작했고, 확산된 수소가 공기와 혼합되어 폭발성 가스 구름을 형성한 뒤 미상의 점화원에 의해 점화되며 강력한 폭발로 이어졌다.

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조사 결과, 사고의 직접적인 원인은 ‘조립 과정에서의 인적 오류’로 판명되었다. 탱크 플러그를 고정하는 볼트가 규정된 토크 값으로 조여지지 않아 틈이 발생했고, 이 미세한 틈으로 고압 수소가 누출되었던 것이다. 이는 충전소가 국제적인 안전 규격인 ATEX나 IEC61511 등에 맞춰 설계되었음에도, 조립 단계의 실수를 방지할 절차적 안전 체계가 미흡했음을 보여준다. Nel Hydrogen 사고는 첨단 기술 시스템이라도 사람의 작업 단계에서 오류가 발생하면 전체 안전성이 무너질 수 있다는 교훈을 남겼다.

 

 

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고압 수소와 액화 수소 시스템의 경제성 및 안전 측면 비교

고압 수소와 액화 수소는 생산부터 최종 소비처에 이르기까지 CAPEX, OPEX, 그리고 공정안전 측면에서 매우 상이한 특징을 보여준다.

• 수소 생산 단계의 CAPEX, OPEX

액화 수소 방식	영하 253도의 극저온 상태를 조성하기 위해 수소 액화 플랜트를 구축해야 하므로 고도화된 냉동 사이클과 특수 진공 단열 설비가 요구된다. 이로 인해 초기 투자 비용인 CAPEX가 고압가스 방식에 비해 압도적으로 높게 형성된다. 또한 극저온 상태를 지속적으로 유지하기 위한 막대한 전력 소비와 증발 가스 처리 장치 운영으로 인해 OPEX 역시 지속적으로 높게 발생한다.
고압 수소 방식	다단 압축기를 활용하여 기체 상태의 수소를 200 bar에서 최대 700 bar 수준까지 압축하는 시스템을 채택한다. 액화 공정 대비 복잡도가 낮아 초기 플랜트 구축 CAPEX는 상대적으로 낮게 산정된다. 하지만 압축기를 가동하는 운영 전력비, 고압 환경에서 마모되는 밸브 및 피팅류의 유지 보수, 그리고 고압 용기 재검사 비용 등 OPEX가 꾸준히 발생한다는 특징이 있다.

 

• 수소 사용 단계의 CAPEX, OPEX

최종 사용처인 수소 충전소 단계를 고려하면 그 차이는 더욱 극명해진다. 고압 수소는 튜브 트레일러로 이송된 고압가스를 다단 압축기로 추가 압축하여 소비자에게 즉시 활용할 수 있다. 하지만 액화 수소를 충전소에서 사용하려면 고압 기체로 다시 변환하기 위한 초고압 증발기와 극저온 펌프 시설 투자가 추가로 필요하여 시스템 복잡성과 구축 비용을 가중시킨다.

 

 

- 공정 안전 측면

액화 수소	운전 압력이 대기압 수준으로 낮아 용기의 물리적 파열 위험은 적지만 극저온 액화 수소 누출 시 주변 장비의 동파, 작업자의 심각한 동상 위험, 그리고 공기 중 산소 액화에 따른 폭발 위험이 존재한다.
고압 수소	대량 누출 시 막대한 팽창 에너지로 인한 물리적 폭발과 즉각적인 제트 화염 발생 위험이 핵심 안전 이슈가 된다. 설계 단계에서부터 고압 파열과 누출을 방지하는 구조적 안전 설계와 높은 수준의 공정 위험성 평가를 통해 위험을 확인하고 통제하지 않으면 심각한 사고가 발생할 수 있다.

 

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고압 수소 안전 관리 핵심 이슈 분석

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• 수소 취성 및 구조적 손상 이슈와 재료 가이드

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고압 수소를 취급하는 공정에서 가장 근본적으로 고려해야 할 현상은 수소 취성 (Hydrogen Embrittlement) 및 이에 따른 기계적, 구조적 손상 이슈이다. 수소 분자는 우주에서 가장 작은 크기를 가지고 있어 금속 재료의 격자 구조 내부로 매우 쉽게 침투하는 특성을 지닌다. 특히 고압 환경에서는 수소의 분압이 상승하여 금속 표면으로의 침투 속도와 양이 기하급수적으로 증가한다. 금속 격자 내부로 스며든 수소 원자는 내부의 결함 부위나 결정 입계에 축적되며 재료의 연성과 인성을 급격히 저하시킨다. 이는 결과적으로 공정 초기에 설정된 설계 응력보다 훨씬 낮은 응력 상태의 일상적인 운전 조건에서도 미세 균열이 촉발되고 이것이 급작스러운 대형 취성 파괴 사고로 이어지게 만든다.

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이러한 위험을 원천적으로 차단하기 위해 설계 단계에서 철저한 재료 가이드의 적용이 필수적이다.

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ASME (미국 기계학회)의 배관 코드인 ASME B31.12 규정에서는 고압 수소 배관에 사용되는 재료의 허용 조건과 설계 응력 제한치를 매우 엄격하게 명시하고 있다. 탄소강을 적용할 경우 수소 분압과 운전 온도에 따른 재질 선정 기준인 넬슨 커브를 참고하여 탈탄 현상과 수소 침식에 견딜 수 있는 적합한 재질을 선정해야 한다. 오스테나이트 계 스테인리스강, 특히 316L과 같이 니켈 함량이 높고 탄소 함량이 낮게 제어된 재질은 수소 취성에 대한 저항성이 우수하여 고압 밸브 및 튜빙 피팅류에 가장 널리 권장된다.

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국제표준화기구의 ISO 11114 규격에서도 가스 실린더 재료의 수소 호환성을 평가하는 엄격한 기준을 제시하며, 인장 강도가 지나치게 높은 고장력강의 사용을 지양하도록 권고한다.

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한국산업안전보건공단의 KOSHA Guide에 따르면 고압 수소 설비는 제작 단계부터 열처리를 통해 가공 중 발생한 잔류 응력을 완벽히 제거해야 취성 균열을 예방할 수 있다.

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설계 시에 재질의 항복 강도만을 높이는 경제적 논리보다는 인성이 충분히 확보된 재료를 선택하고, 부식 여유와 수소 취성 강도 저하 계수를 보수적으로 설계 수식에 반영해야 한다. 용접부는 수소 취성에 가장 취약한 부위이므로 용접봉의 선택부터 철저한 비파괴 검사 비율이 설계 사양서에 구체적으로 명시되어야 한다.

(주. 항목 강도 (Yield Strength): 재료에 힘(응력)을 가했을 때, 탄성 변형(원래대로 돌아옴)에서 소성 변형(영구적 변형)으로 바뀌기 시작하는 지점의 응력.)

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• 고압 저장 탱크 및 배관의 구조적 위험

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고압 저장 탱크 및 배관 시스템이 내포하고 있는 구조적 위험성은 수소 공정의 대형 폭발 사고를 유발하는 가장 직접적인 원인이다. 200 bar 이상의 고압 상태로 기체 수소를 저장하는 압력 용기 내부에는 막대한 양의 압축 팽창 에너지가 잠재되어 있다. 만일 용기의 기계적 결함, 부식, 또는 외부 차량 충돌과 같은 충격으로 인해 구조적 파괴가 발생할 경우, 저장된 가스가 일순간에 대기 중으로 팽창하며 막대한 폭발 압력을 방출하는 물리적 파열 사고가 발생한다. 이는 수소가 가진 화학적 폭발 특성 이전에 압력 에너지 자체만으로도 주변 설비와 작업자에게 치명적인 타격을 입히는 중대한 재해이다. 배관 시스템의 경우 압축기의 맥동에 의한 진동이 지속적으로 전달되거나 유체의 급격한 유속 변화에 따른 수격 현상이 발생하여 배관 지지대와 용접부에 피로 하중을 누적시킨다.

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이러한 구조적 위험을 제어하기 위해 ASME BPVC Section VIII Division 1 및 Division 2의 엄격한 압력 용기 설계 규정을 반드시 준수해야 한다. 설계 압력은 정상적인 최고운전 압력보다 충분한 여유를 두고 보수적으로 설정해야 한다. 특히 국부적인 응력이 집중되는 노즐 연결부나 동체와 경판의 전환 부위에는 유한 요소 해석을 통해 응력 분포의 건전성을 설계 단계에서 미리 검증하는 과정이 필요하다. 배관 시스템 역시 ASME B31.12 요구 사항에 따라 열팽창과 기계적 진동을 효과적으로 흡수할 수 있도록 유연한 루프를 구성해야 한다.

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KOSHA Guide의 압력용기 안전 설계 지침에서는 내용적과 설계 압력의 곱이 일정 수준 이상인 고위험 용기에 대해 파열판과 안전밸브를 직렬 혹은 병렬로 구성하여 이중의 완벽한 과압 방지 조치를 취할 것을 강하게 요구한다.

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피로 파괴를 예방하기 위해 진동이 집중되는 회전 기기 전후단 배관에는 방진 지지대를 설치하고, 배관의 두께 산정 시에는 내부 압력뿐만 아니라 외부의 풍하중과 지진 하중까지 포괄적으로 고려된 배관 응력 해석이 선행되어야 한다.

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저장 용기의 지지부는 온도 변화에 따른 마찰 저항을 최소화하도록 슬라이딩 플레이트를 적용하여 굽힘 응력이 용기 동체에 2차적으로 전달되는 것을 차단해야 한다. 최근 도입이 증가하는 탄소섬유 복합재 용기의 경우 반복적인 충전에 따른 피로 수명 설계가 최우선으로 다루어져야 한다.

 

• 고압 수소의 미세 누출 이슈

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고압 수소 시스템에서 가장 빈번하게 발생하며 대형 사고의 단초를 제공하는 것이 바로 미세 누출 이슈이다. 수소는 점도가 매우 낮고 분자량이 우주에서 가장 작아, 일반적인 가스 시스템에서는 기밀이 완벽히 유지되는 미세한 틈새로도 쉽게 빠져나갈 수 있다. 밸브의 스템 패킹 부위, 플랜지의 가스켓 접합부, 압력계 및 온도계와 연결되는 튜빙 피팅 부위는 고압 수소가 장기간의 운전 중 압력 변동과 열수축 팽창에 의해 미세 누출을 일으키는 대표적인 취약점이다. 이러한 미세 누출은 초기에는 소리나 냄새로 감지하기 불가능에 가깝다. 하지만 환기가 불량한 공간에 체류할 경우 순식간에 폭발 하한계인 4%에 도달하여 점화에 의한 화재 또는 폭발 사고로 이어질 수 있다.

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따라서 설계 단계부터 연결부를 최소화하는 원칙을 엄격히 적용해야 한다. 배관은 가급적 전체 용접 결합을 원칙으로 하고 플랜지 연결은 기기 유지 보수를 위해 불가피한 구간으로만 제한해야 한다.

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NFPA 2 수소 기술 코드에서는 실내에 위치한 수소 설비에 대해 강제 환기 시스템과 연동된 고정밀 수소 가스 감지기 설치를 의무화하고 있다. 가스켓은 수소 투과 저항성이 우수하고 극심한 압력 변동에도 기밀 복원력을 유지하는 스파이럴 운드 (Spiral wound) 타입이나 금속 링 조인트 타입을 선정해야 한다. KOSHA Guide에 명시된 바와 같이 튜빙 연결부는 페룰이 튜브에 정확히 안착되도록 체결 토크를 규격화하고 시공 후 헬륨 누출 테스트를 통해 기밀성을 검증해야 한다. 미세 누출을 원천적으로 차단하는 디테일한 배관 설계가 공정안전의 첫걸음이다.

(주. 페룰 (Ferrule): 튜빙(금속 튜브)과 피팅을 기밀하게 연결하기 위해 사용하는 금속 링(소형 압착 슬리브)임. 주로 계장 배관(Instrumentation Tubing)에서 사용되며, 압력을 받는 배관 연결부의 밀봉과 고정 역할을 함.)

 

• 고압 수소 누출 후 안전 관리 대응 및 수소 특성에 따른 위험 최소화

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만일 고압 수소의 누출이 발생했을 경우 피해를 최소화하기 위한 안전 관리 대응과 수소의 물리화학적 특성에 최적화된 위험 제어 전략은 공정 설계의 가장 핵심적인 과제이다.

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수소는 확산 계수가 매우 커서 대기 중으로 누출될 경우 위로 빠르게 흩어지는 장점이 있다. 하지만 폭발 범위가 4%에서 75%로 모든 가스 중 가장 넓은 편에 속하며 최소 점화 에너지가 0.017 mJ에 불과하여 아주 미세한 정전기 방전이나 금속 마찰 스파크에도 즉각적으로 발화하는 치명적인 단점을 동시에 가진다. 특히 200 bar 이상의 고압가스가 핀홀을 통해 누출될 때는 누출 그 자체의 유속 에너지가 밸브의 금속면이나 주변 이물질과 마찰을 일으키며 외부 점화원 없이도 자발적으로 점화되는 현상이 빈번하게 보고된다.

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고압 수소가 화재로 이어지면 고속의 제트 화염을 형성하게 된다. 이 화염은 열 복사량이 엄청나 주변 배관이나 저장 용기를 순식간에 가열시켜 금속의 강도를 떨어뜨리고 연쇄적인 파열 사고를 유발한다. 더군다나 수소 불꽃은 태양광 아래에서는 육안으로 거의 보이지 않는 옅은 푸른색 혹은 무색에 가까운 특성을 지닌다. 이로 인해 작업자가 화염의 존재를 인지하지 못하고 무방비로 접근하다가 심각한 전신 화상을 입는 특수한 위험성을 내포하고 있다.

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이러한 수소의 고유 특성을 고려할 때 누출 발생 후의 비상 대응 체계는 초기 감지, 즉각적인 공급원 차단, 그리고 신속한 압력 배출이라는 3단계 안전장치가 설계 단계부터 자동화되어야 한다.

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미국 방화협회의 NFPA 2 규정에 따르면 수소 설비 구역에는 보이지 않는 화염을 감지하기 위해 자외선 및 적외선 파장을 동시에 감지하는 다중 대역 불꽃 감지기를 설치해야 한다. 또한 빠른 응답 속도를 가진 촉매 연소식 또는 광학식 수소 가스 감지기를 누출 예상 구역에 교차 회로 방식으로 촘촘히 배치해야 한다. 감지기가 2개 이상 작동할 경우 공장의 비상 정지 시스템과 즉각 연동되어 누출 구간 양단의 긴급 차단 밸브가 사람의 개입 없이 자동으로 폐쇄되도록 로직 시퀀스가 설계되어야 한다. KOSHA Guide 비상조치계획 수립 지침에서는 고압 수소 제트 화염 발생 시 작업자가 소화기로 무리하게 화재를 진압하려 하기보다는 수소의 1차 공급 밸브를 신속히 차단하는 것을 최우선 대응 전략으로 강조한다. 현장에 설치된 소화수 설비나 살수 장치는 수소 불꽃을 직접 끄기 위한 목적이 아니라, 주변 압력 용기와 철골 구조물의 온도를 낮춰 복사열에 의한 추가적인 붕괴와 파열을 막는 냉각 목적으로 가동되어야 한다.

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나아가 누출 및 화재 시 고압 용기 내부에 갇힌 수소는 외부 화염에 의해 온도가 급상승하며 용기 파열 압력에 도달할 수 있다. 이를 방지하기 위해 API 521 압력 방출 및 감압 시스템 설계 기준에 따라 자동 감압 밸브 시스템인 블로우다운 시스템을 구축해야 한다. 화재를 감지하면 용기 내부의 고압 수소를 공정 설비 외부의 안전한 벤트 스택으로 신속히 방출시켜 용기 내부 압력을 항복 강도 이하로 안전하게 낮추는 시스템이 필수적이다.

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벤트 스택은 방출된 수소가 대기 중에서 안전하게 희석될 수 있도록 충분한 높이로 설계되어야 하며 방출구 끝단에는 화염이 배관을 타고 거꾸로 들어오는 역화를 방지하기 위한 질소 퍼지 라인이 함께 구성되어야 한다. 설계 단계에서 수소의 넓은 폭발 범위와 보이지 않는 화염의 위험성을 철저히 분석하고 설비 간의 방호벽 설치 및 안전 이격 거리를 확보하는 수소 공정 배치 설계가 수반되어야 대형 재난을 예방할 수 있다. 설계 단계에서 안전 설계와 높은 수준의 공정 위험성 평가를 통해 위험을 확인하고 관리하는 것만이 비상 상황에서의 생존율을 높일 수 있다.

 

• 정전기 및 점화원 관리의 중요성

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고압 수소 설비에서 정전기 및 점화원 관리의 중요성은 공정안전 실무에서 아무리 강조해도 지나치지 않다. 앞서 언급했듯이 수소의 최소 점화 에너지는 극히 낮아 인체에 축적된 아주 일상적이고 미세한 정전기 방전만으로도 대형 폭발의 점화원이 되기에 충분하다. 배관 내부에서 고압 수소가 고속으로 흐를 때 벽면이나 밸브 시트와의 마찰에 의해 유동 대전 현상이 발생할 수 있다. 또한 배관 외부에서 작업자의 작업복 마찰이나 수공구의 타격에 의한 기계적 스파크도 매우 치명적인 위험 요소로 작용한다.

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따라서 설계 단계부터 모든 수소 취급 설비, 저장 용기, 배관, 밸브, 그리고 철골 지지 구조물은 완벽한 전기적 연속성을 갖도록 본딩과 접지 작업이 엄격하게 규정되어야 한다. NFPA 77 정전기 방지 권고안과 KOSHA Guide 정전기 재해 예방에 관한 기술 지침에 따라 설비의 대지 접지 저항값은 기준치 이하로 일정하게 유지되도록 다중 접지망을 설계해야 한다.

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플랜지 연결부나 밸브 조인트와 같이 전기적 저항이 발생할 수 있는 단절 구간에는 구리 재질의 본딩 와이어를 의무적으로 설치하여 전위차를 근본적으로 제거해야 한다. 방폭 구역 내에 설치되는 모든 전기 모터, 조명 기구 및 계측 기기는 수소 가스 폭발 등급 (주. IEC 기준으로는 Gas Group IIC, NEC 기준으로는 Group B)에 적합한 방폭 인증 제품만을 선정하도록 설계 사양서에 명확히 반영되어야 한다.

계기 종류	일반적 방폭 방식	설명
압력·온도·유량 Transmitter	Ex ia / ib	본질 안전, 저전력 계기에 가장 보편적. 수소 취급 계기에서 가장 선호됨.
스마트 Transmitter, Exd 타입 계기	Ex d	내압 방폭, 고 전력 회로 포함 계기
가스분석기, 패널형 계기	Ex p	가압 방식으로 내부 보호
터미널 박스, JB	Ex e	스파크 없는 구조 적용 가능

모터 종류	가장 일반적 방폭 방식	비고
표준 수소용 모터(IIC)	Ex d	내압 방폭, 가장 일반적으로 채택 (Zone 1), 수소용 모터에서 가장 널리 적용됨.
IIB 이하 환경 모터	Ex e 가능	수소용(IIC) 모터에 거의 사용하지 않음.
Zone 2 환경	Ex nA	수소에는 부적합
특수 모터 / 대형 모듈	Ex p	패널형·하우징 형 구조 적용 가능

고압 수소 벤트 라인 끝단에서의 정전기 방전으로 인한 자연 발화를 막기 위해 벤트 배관 내면의 재질 선정과 배출 속도의 상한선 제한 등 공정 설계적 제어 방안이 반드시 반영되어야 한다.

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• 고압 수소 이송 수단 및 이송 중 위험과 안전 점검 요소

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고압 수소를 대량으로 이송하는 주요 수단인 튜브 트레일러 및 파이프라인 이송 과정에서 발생하는 이송 중 위험과 안전 점검 요소는 산업 인프라 확장에 있어 매우 중요한 공정안전 영역이다.

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현재 가장 보편적인 육상 이송 수단인 강관 튜브 트레일러는 일반적으로 250 bar 내외의 고압 실린더들을 대형 차량 플랫폼에 결합하여 운송하는 형태이다. (주. 국제 규격인 ISO 11120 (대형 무봉합 고압가스 용기 규격)에 따라서 상용 튜브 트레이일러는 200 ~ 500 bar 사양 사용함. 강관 튜브 트레일러는 250 bar 급이 표준이고, 복합재 사용 시 300 ~ 500 bar 급이 보편화되는 추세임.)

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이송 중 차량의 교통사고로 인한 충돌이나 급커브 구간에서의 전복이 발생할 경우, 실린더의 구조적 파괴와 매니폴드 배관 연결부 이탈로 인한 대량의 고압 수소 누출이 발생할 수 있다. 도로라는 통제되지 않은 외부 환경을 이동하므로 플랜트 내부보다 사고 발생 확률이 상대적으로 높고 화재 발생 시 주변 민간인과 건물에 미치는 피해 규모를 예측하기 어렵다. 이러한 위험을 선제적으로 통제하기 위해서는 다음 사항이 적용되어야 한다.

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- 롤오버 방지 프레일 (Rollover Protection Flame), 즉 튜브 트레일러가 도로에서 뒤집히거나 옆으로 넘어지는 전복 사고 발생 시에도 튜브 트레일러를 보호하는 프레임 구조가 적용된 차량이 사용되어야 한다.

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- 실린더 후단의 밸브 캐비닛은 후방 차량 추돌 시에도 핵심 밸브와 매니폴드가 직접적인 타격을 받지 않도록 충분한 충격 흡수 공간과 고강도 보호 범퍼를 갖추어야 한다.

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- ISO 규격 요구 사항에 따라 각 실린더에는 주변 화재 등으로 인한 과압 발생 시 가스를 안전하게 배출하는 안전밸브가 개별적으로 장착되어야 한다.

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-상차 및 하차 작업을 위해 플랜트나 충전소에 차량이 진입하여 디스펜서와 충전 호스를 연결하는 과정은 작업자 실수가 개입될 수 있는 가장 취약한 순간이다.

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- 연결 호스는 내압 성능과 수소 호환성이 검증된 전용 호스를 사용해야 한다. 특히 호스 파손이나 운전자의 착각으로 인한 차량의 급발진 시 체결 부위가 기계적으로 안전하게 분리되면서 양방향의 고압가스 누출을 즉각 차단하는 브레이크어웨이 커플링 설치가 설계 단계에서 필수적으로 반영되어야 한다.

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-안전 점검 요소로는 이송 차량 출발 전 실린더 밸브 주변의 미세 누출 여부를 비눗물이나 휴대용 가스 감지기로 철저히 확인하는 절차, 매니폴드 게이지 압력의 정상 범위 확인, 그리고 차량 하차 시 정전기 방지용 접지 케이블의 견고한 체결 상태 점검이 필수적이다.

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파이프라인 이송의 경우 지하에 매설된 장거리 배관이 무단 굴착 공사 등 타 공사에 의해 파손되거나 토양의 부식성 환경으로 인해 배관 두께가 감소하여 파열되는 치명적인 위험이 존재한다. 수소 이송 배관의 외부 부식 방지를 위한 특수 피복재 적용 및 음극 방식 시스템이 완벽하게 설계되어야 하며 배관 내부의 물리적 손상을 감지하기 위해 인텔리전트 피그를 활용한 주기적인 비파괴 검사 체계를 구축해야 한다. 파이프라인은 SCADA 제어 시스템을 통해 전체 구간별 압력과 유량 변화 추이를 실시간 모니터링하여 아주 미세한 누출 징후라도 포착될 경우 해당 구간의 자동 차단 밸브를 즉시 가동하는 원격 안전 제어 설계를 도입해야 한다.

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공정안전 관리는 수소가 생산되어 소비자에게 도착하는 모든 이송 경로 상의 위험을 통제하는 설계 최적화에서 비로소 완성된다.

 

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공정 위험성 평가의 필요성과 설계 반영

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고압 수소의 저장 및 이송에 관련하여 공정 안전사고를 예방하고 막대한 인명 및 재산 피해를 최소화하기 위해서는 설계 단계에서 안전 설계와 높은 수준의 공정 위험성 평가를 통해 위험을 확인하고 통제하는 것이 가장 근본적인 관리 전략이다. 설계가 확정되고 현장 시공이 완료되면 배관의 경로를 바꾸거나 설비를 변경하는 데 천문학적인 재작업 비용이 발생하며 초기 의도했던 수준의 안전성을 완벽히 확보하기 어렵다. 따라서 도면과 운전 조건이 구체화되는 설계 단계에서 체계적인 위험 위험성 평가는 절대적으로 중요하다.

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P&ID를 기반으로 공정 변수의 이탈을 체계적으로 분석하는 Parameter-based HAZOP (일반 HAZOP) 기법을 통해 압력, 온도, 유량의 비정상적인 상승이나 감소가 수소 설비에 미치는 위험을 식별해야 한다. 특히 다단 압축기 기동 및 정지 절차, 튜브 트레일러 상하차 작업과 같이 운전원의 수동 개입이 많은 비연속적 조작 단계에 대해서는 절차 기반의 Procedural HAZOP을 별도로 수행하여 인적 오류로 인한 밸브 오작동 위험을 철저히 검증해야 한다. HAZOP 평가를 통해 도출된 고위험 사고 시나리오에 대해서는 반정량적 방호 계층분석 기법인 LOPA를 연계하여 적용해야 한다. 압력 안전밸브, 비상 차단 밸브, 인터락 시스템 등 각각의 독립적인 방호 장치가 적절한 위험 감소 역량을 갖추고 있는지 평가하고, 안전 계장 시스템 (SIS)가 적용된 보호 시스템은 SIL 등급 할당하고 SIS 설계에 엄격히 반영해야 한다.

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나아가 배관 파열이나 대형 폭발과 같은 중대 재해 시나리오에 대해서는 Bow-Tie Analysis를 통해 사고의 근본 원인을 유발하는 예방적 장벽과 사고 발생 후 피해를 줄이는 완화 장벽을 시각화하여 현장 운영자가 핵심 안전 장벽의 역할을 직관적으로 이해하고 유지 보수하도록 돕는다.

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고압 수소 취급 및 이송 설비에 이러한 다각적인 위험성 평가를 수행하고 그 결과를 설계 및 운영에 직접적으로 반영하도록 유도해야 한다. 설계 단계에서의 높은 수준의 위험성 평가는 잠재적 위험을 통제하고 고압 수소 설비가 생애 주기 동안 안전하게 가동될 수 있는 가장 강력한 방어선이다.

 

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고압 수소 공정안전, 철저한 설계와 끊임없는 관리의 결실

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에너지 밀도의 한계를 극복하기 위해 도입된 고압 수소 시스템은 경제적이고 효율적인 전국 단위의 모빌리티 인프라 망 구축을 성공적으로 가능하게 만들어주는 핵심적인 기술이지만, 그 이면에는 초고압 상태 자체의 위험, 금속 조직을 파괴하는 재료 취성 현상, 막을 수 없는 수소 가스의 미세 누출, 그리고 보이지 않는 치명적인 제트 화재, 폭발과 같은 태생적이고 본질적인 공정안전 위험을 동반한다.

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이러한 예측하기 어려운 잠재적 위험 요소를 공학적 통제 하에 두고 공정안전과 생명 보호를 달성하기 위해서 수소 사업자는 설계 단계에서부터 수소의 고유한 물리∙화학적 특성을 정확히 이해하고, 철저한 안전 설계 원칙 준수와 높은 수준의 공정 위험성 평가를 통해 잠재적 위험을 선제적으로 확인하고 빈틈없이 관리해야 한다.

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아파브 코리아는 글로벌 안전·검사·인증 전문기관 Apave Group의 한국 법인입니다. 아파브는 글로벌 공인검사기관의 인증· 검사 역량, 리스크 분석 기술, 수소· 원자력· 신재생· 반도체 등 고난도 산업 분야에서 전문성에 기반한 기술 서비스를 제공합니다. 특히 국내 수소· 배터리· 반도체· 플랜트 기업의 해외 인증, 공정 위험성 평가 및 안전 리스크 관리에서 독보적인 기술 경쟁력을 갖추고 있습니다.

 

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[Technical Insight] 수소 안전 Series

 

[수소안전#1] 수소의 물리적 특성과 사고 메커니즘: 천연가스, LPG와 무엇이 다른가?

[수소안전#2] 수소는 어떻게 생산하고 분류하는가?

[수소안전#9] 액체 수소 저장 및 이송 시의 극저온 안전 관리

[수소안전#10] 수소 충전소의 안전 설계와 공정 안전 관리

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