가스신문 [전문가 기고] 탄소복합용기와 국가별 강제 인증 제도

[전문가 기고] 탄소복합용기와 국가별 강제 인증 제도
해당 국가의 인정은 필수이며 계약단계서 기술력 증명할 유일한 수단

 

"압력 용기처럼 수소 저장 용기도 국가별 인증제도 적용중, 단일화된 표준 및 인증 시스템 적용은 시간 더 필요"
- 아파브 코리아 김영득 공인 검사원

 

수소 탱크 또는 수소 저장용기는 관련 규정의 분류 체계에 따라 나누고 있으나 통상적으로 크게 4가지 타입으로 구분된다. 현재는 지속적인 기술 개발에 힘입어 1,000바에 견딜 수 있는 타입 5 용기의 프로토 타입도 개발되어 있는 상황이나, 상용화된 기술 기준을 근거하면 아래의 타입 1에서 4까지가 보편적인 제품군이라고 할 수 있다.

 

타입 3와 타입 4를 구분하는 가장 큰 특징은 라이너의 소재로, 타입 3는 메탈 소재를, 타입 4는 플라스틱과 같은 비금속제를 사용하는 것이 가장 큰 차이점이다. 타입 4 복합재 용기는 비금속제 용기에 탄소섬유로 감아, 외부 압력에 의해 용기가 파손되더라도 LBB(Leakage Before Break) 형태로 파손되어 폭발의 위험이 현저히 낮다. 잘 알려진 바와 같이 현대자동차의 수소 승용차 및 상용 트럭 등에 적용되고 있다.

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국가별 인증제도

통상의 산업재 및 압력용기와 마찬가지로 수소 용기도 각 국가별 인증제도를 적용 중에 있다. 북미와 유럽 선진국들은 기존의 인증 제도에 수소 용기 인증을 포함하는 형태로 표준화를 진행하고 있으며, 한국은 KGS 인증을 기준으로 기술 개발 방향에 따라 그 폭을 넓혀가고 있는 중이다.

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국가별 강제 인증은 세계적 표준화의 필요성 및 흐름에도 불구하고, 각 국의 이해 관계 및 무역 장벽의 불가피성, 내수 산업 보호 등 첨예한 사안들로 인해, 수소 산업 역시 국가별 인증을 개별 취득해야 하는 상황이 지속될 것으로 전망된다. 특히, 수소 용기의 경우 저장용, 운송용, 차량연료용 등 용도에 따른 기술 기준 및 인증이 상이하여 제작사에게 더 큰 어려움으로 다가오는 상황이다.

수소 저장 용기 타입별 구조

 

 

수소 탱크 용도에따른 기술 및 인증 구분

수소 탱크의 용도에 따른 주요 국가별 기준은 [표 1]과 같다. 유럽 공동체는 기존의 CE Mark 시스템의 강제 사항인 PED 및 TPED와, 차량용 탱크에 대해서는 UN ECE R134 기준을 병행 적용하고 있다. 미국은 일반 압력용기에 적용되는 ASME를 저장용으로, 미국도로교통부(US DOT)에서는 차량용 탱크에 대한 승인을 관장하고 있다.

• [표1] 수소 탱크의 용도에 따른 주요 국가별 기준

용도	한국	북미	유럽
저장용	KGS AC118	ASME VIII / X	PED
충전용	KGS FP216, FP217	ASME VIII / X	PED
운송용	KGS AC419	US DOT 49 CFR	TPED
차량용	국토교통부고시 제2017-195호	US DOT	UN ECE R134

 

 

한국 KGS 인증

KGS코드는 수소 분류 기준(H)를 별도로 두고, 용도에 따라 기준 분류 코드에 혼용하여 제정하고 있다.

• [표2] 한국 KGS 코드 수소 분류 기준

번호	제목
FP211	고압가스 용기 및 차량에 고정된 탱크 충전의 시설, 기술, 검사, 안정성 평가 기준
AC419	압축수소 운송용 비금속 라이너 복합재 용기 제조의 시설, 기술, 검사 기준
AC118	압축수소 가스용 복합재료 압력용기 제조의 시설, 기술, 검사 기준
FP216	제조식 수소자동차 충전의 시설, 기술, 검사 기준
FP217	저장식 수소자동차 충전의 시설, 기술, 검사 기준

 

 

북미 ASME

SME (American Society of Mechanical Engineers) 는 미국 기계 학회로, 1880년에 뉴욕에서 설립된 비영리 기관이다. 전세계 150개국 이상에서 11만명 이상의 회원을 보유하고 있어 명실상부한 기계 분야의 글로벌 표준 기관이라고 할 수 있다.

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저장용 탄소복합용기의 경우, ASME에서 제정한 압력 용기 기준 중 Section X에 따라 인증 절차가 진행되며, 해당되는 카테고리는 다음과 같다.

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• Class I: 3,000 psi 이하
• Class II: 250 psi 이하로 RD-1120의 설계 기준
• Class III: 15,000 psi 이하

• [표3] ASME에서 제정한 압력 용기 기준

세부규정	KGS AC 118	ASME Section VII DIV.3 & Class III of section X
적용범위	500L 이하, 압축수소가스용 복합재료 용기	OD 2.5m 이하 (Class III) / OD 1.52m 이하 (CRPV)
설계온도	-45~85 ℃	-54~85 ℃ (Class III) / -54~66 ℃ (CRPV)
설계압력	최대 105 MPa	최대 103 MPa ( Class III & CRPV)
배치규정	200개 이하	200 vessels (Class III) / Cf. 1,000 vessels or one year (CRPV)
설계수명	최대 15년	최대 20년
시험압력 반복허;스	N = KN X 설계압력 반복 횟수	N = KN X C X Service Life  (Class III)  (설계압력 바녹 횟수 =  C X SL)
라이너	알루미늄 라이너 (A6061 계열) 플라스틱 라이너 보수부 (STS 316L or A6061 계열) 플라스틱 라이너 (열화온도/열가소성/용용온도)	Materials of Div.3 for metal (Class III & CRPV) 열화온도 / 열가소성 용용온도 규정없음 for 플라스틱
응력비	탄소섬유: 2.25 / 유리섬유: -	Not exceed 28.5% for glass fibers and 44.4% for carbon fibers (Class III)
허용 수지	에폭시 또는 변성에폭시	Epoxy / Polyester / Vinyl ester (Class III & CRPV) Epoxy for Tow prepreg (CRPV)
가공	금속라이너 성형 / 플라스틱 라이너 성형	금속 라이너 - Div.3 / 플라스틱 라이너 별도 제한 없음
용접	없음	용접가능
섬유 시험	용기업체 시험 있음	있음 (COC)
수지 시험	용기업체 시험 없음 (수지전단강도시험은 있음)	MUT / Gel time / 수지진단강화시험
라이너 재료검사	용기업체 시험 있음	COC
설계 검토	KGS	Professional Engineer

 

ASME Section X에서 요구하는 시험 항목은 아래와 같으며, KGS와 비교할 때 가장 큰 차이점은 압력반복 시험의 횟수와 비파괴 검사 (Acoustic Emission Test)에 있다.

• Burst test: the pressure at which the tank bursts, typically more than 2× the working pressure.
• Proof pressure: the pressure at which the test will be executed, typically above the working pressure.
• Leak test or permeation test, in NmL/hr/L (Normal liter of H2/time in hr/volume of the tank.
• Fatigue test, typically several thousand cycles of charging/emptying. Bonfire test where the tank is exposed to an open fire.
• Bullet test where live ammunition is fired at the tank.

복합재 용기에 필요한 ASME Section X 인증은 아직 국내 사례가 많지 않으나, 몇몇 수소 기업이 추진 중에 있다. Type 1 카본 라이너에 적용되는 ASME Section VIII 인증은 수소 / 비수소 포함해서 많은 제작사들이 인증을 보유하고 있다.

 

 

PED/TPED

북미지역에 ASME가 있다면, 유럽은 고정형 및 운송용 압력용기에 대해 PED/TPED인증을 획득해야 한다. ASME와 상호인증으로 국내업체들은 ASME 인증을 통해 주로 PED 인증을 진행하고 있다.

 

 

UN ECE R134

유럽향 차량용 수소용기 인증으로, 유럽내 56개국 회원국의 경제협력체인 유엔 유럽경제위원회에서 제정한 기술 기준을 의미한다. UN ECE는 수소 용기 외에도 보안, 연결성 등 다양한 R 기술 기준을 자동차 산업에 요구하고 있고, 수소 산업의 경우 R79 와 R134의 적용을 받는다.

 

R134에서 규정한 압력용기 시험항목은 아래와 같으며, 시험 가능한 시험소가 전세계에서도 몇 개소 밖에 되지 않아 인증에 많은 시간과 비용이 소요되고 있다.

• Burst test: the pressure at which the tank bursts, typically more than 2× the working pressure.
• Proof pressure: the pressure at which the test will be executed, typically above the working pressure.
• Leak test or permeation test, in NmL/hr/L (Normal liter of H2/time in hr/volume of the tank.
• Fatigue test, typically several thousand cycles of charging/emptying.
• Bonfire test where the tank is exposed to an open fire.
• Bullet test where live ammunition is fired at the tank.

R134는 타 인증과 마찬가지로 제작사 및 시험소의 품질 시스템과 파일럿 테스트, 양산 시험을 모두 합격해야 인증이 유지되는 구조로 되어 있다.

 

 

결론

수소 밸류체인의 핵심 중 하나인 운송 저장 시장은 산업 전체의 성장과 함께 점점 커질 것으로 예상되면서, 국내외 기업들의 사업 역시 본격화되고 있다. 시장과 업계의 기술 개발이 지속적으로 이루어지면서, 인증 및 기술 규격도 이에 맞춰서 변화하고 있다. 다만, 국가별 이해관계가 상충되면서, 단일화된 표준 및 인증 시스템의 적용 또는 상호간 대체 인정은 시간이 더 필요할 것으로 생각된다.

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선진국과의 기술 격차에도 불구하고 수소 시장을 선점해 가고 있는 한국 기업들은, 향후 도래할 글로벌 시장으로의 확대를 위해 지속적으로 인증 취득을 우선할 수 밖에 없을 것이다. 현대자동차의 수출용 차량에 대한 해외 인증 외에도 수소 충전소, 플랜트 등에 사용될 기자재들이 장기적으로 수출된다면, 해당 국가의 인증은 필수이자 계약단계에서 기술력을 증명할 수 있는 유일한 수단이기 때문이다.

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김영득 감독은 지난 24년 동안 ASME AI (공인 검사원)로서 항공, 조선 해양, 석유화학 등 다양한 산업의 기자재인 고압 압력용기, 복합재 용기 등에 대한 품질을 인증해왔습니다. 특히 수소 분야에서도 국내 유일의 ASME X (복합재 용기에 대한 미국 규정) 인증 실적을 보유하고 있다. 현재 프랑스 파리에 본사를 둔 기술, 환경, 인적, 디지털 위험관리 글로벌 리더인 Apave 그룹의 한국지사에 근무하고 있다.

 

 

 

기사 원문

 

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