[투데이에너지] ■수소경제, 미래 성장산업 발전 기대
지난해 1월16일 산업통상자원부에서는 세계 최고수준의 수소경제 선도국가로 도약하겠다는 목표를 설정하고 이의 실행을 위한 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표했다.
우리나라가 강점이 있는 ‘수소차’와 ‘연료전지’를 양대 축으로 수소경제를 선도할 수 있는 산업생태계를 구축하겠다는 계획이다.
주요 내용으로는 수소충전소는 2019년 86개소, 2022년 310개소, 2040년 1,200개소를 설치하고 수소차는 2022년 6만7,000대, 2040년 290만대를 보급하며 연료전지는 2022년 1.5GW, 2040년 15GW를 보급하고 수소생산량은 연간 2022년 47만톤, 2040년 526만톤까지 늘리고 수소가격은 현재 8,000~9,000원 수준을 2022년 6,000원, 2040년 3,000원까지 낮추는 것을 목표로 하는 계획이다.
안정적인 수소생산 및 공급시스템 조성을 위해 수소공급은 수전해 및 해외 생산 수입 등 CO₂프리 그린(Green)수소 비중을 연차적으로 확대하고 수소 저장은 저용량·수소가스에서 고효율·액체수소 등으로 다양화하고 전국적인 배관 공급망도 구축하겠다는 계획도 포함돼 있다.
수소경제 활성화는 자동차·선박 등 수송분야와 전기·열 생산 등 에너지분야까지 다양하고 새로운 시장과 산업창출이 가능하고 수소 생산, 운송·저장, 충전소 인프라 구축은 연관 산업의 파급효과가 크며 기업의 투자와 신규 고용창출이 가능한 미래 성장산업으로 무한한 발전이 기대된다.
환경적인 측면에서 온실가스 감축, 미세먼지 저감에 직접적인 효과가 있으며 재생에너지 이용과 친환경에너지 보급 확대의 시너지 효과도 있고 에너지 수요 다변화를 통한 화석에너지 수입 의존도 단계적 감소 및 장기적으로는 에너지 자립기반 확보가 가능하다.
또 분산 전원 활용 등을 통한 안정적 에너지 수급이 가능한 장점이 있다. 특히 수소차·연료전지 등 수소 활용분야는 세계적 기술력을 이미 확보하고 있는 장점을 살린다면 세계 수소경제를 선도하고 우리나라의 새로운 성장 동력으로 충분한 잠재력과 가능성이 충분하다는 데는 이의가 없다고 할 수 있다.
■수소경제 활성화 로드맵에 따른 수소 안전관리 추진 방향
수소경제 활성화 로드맵의 수소안전부분은 전 국민이 안심하고 신뢰할 수 있는 수소경제 이행 기반 마련을 위해 수소 생산-저장·운송-활용 전주기에 걸쳐 안전관리 기준 및 부품·제품의 안전성평가를 강화하고 안전관리법을 제정했다. 수소안전에 대한 정확한 정보 제공 및 국민 인식 제고를 위해 수소안전 가이드북 보급 및 수소안전 체험관 구축 등의 안전 프로그램을 확대해 도시가스 수준 이상으로 안전관리체계를 확립하는 내용이 포함돼 있다.
수소는 석유화학, 정유, 반도체, 식품 등 산업현장에서 수십 년간 사용해 이미 안전관리 노하우가 축적돼 있고 가벼운 기체로 누출 시 빠르게 확산돼 폭발이나 화재로 이어질 가능성이 낮은 편이나 반대로 수소는 분자가 작아 외부로 누출되기 쉬운 특성이 있고 공기 중의 폭발범위(4vol%~75vol%)가 넓고 최소발화에너지(0.02mJ정도)도 낮아 다른 가스에 비교해 누출 후에 폭발, 화재로 이어지기 쉽다는 우려도 있다.
특히 수소충전소는 지금까지 경험해 보지 못한 70MPa~90MPa의 초고압수소를 이용해 도심에 설치되는 것을 전제로 하고 있어 지금까지 설치해 온 LPG충전소(상용압력 약 3MPa) 및 압축천연가스충전소(상용압력 약 25MPa)와 비교하더라도 그 압력이 현저히 높아 한번 재해가 발생하면 주위에 막대한 피해를 끼칠 우려가 있다.
지난해 5월16일 발생한 강릉TP 수소 저장탱크 폭발사고와 같이 수소는 취급을 소홀히 하면 큰 피해를 유발할 수 있다는 교훈을 준 대표적 사례로 수소시설의 안전성 확보가 수소경제사회로 가는데 무엇보다 중요한 일임을 인식해야 한다.
■수소시설 안전성 확보를 위해 추진한 사항
2013년 현대차에서 세계 최초로 수소자동차(투산) 양산에 성공하면서 수소충전소 인프라 확대가 필연적으로 이뤄질 것이라는 것을 예상하고 2015년부터 정부와 한국가스안전공사에서는 수소산업 생태계 조성 지원을 위해 안전성과 경제성을 동시에 확보하는 규제 합리화 방안을 추진해오고 있다.
우선 제도적으로 보면 안전관련 기준으로 저장식 수소자동차충전 시설·기술·검사 기준(2011년 4월 KGS코드 제정, 12회 개정), 제조식 자동차충전 시설·기술·검사 기준(2011년 4월 KGS코드 제정, 10회 개정), 수소충전소용 복합재료 용기 허용(2015년 9월, 고법시행규칙 개정), 압축수소가스용 복합재료 압력용기 제조기준(2015년 10월, KGS코드 제정), 융·복합 및 패키지형 자동차 충전소 시설기준(2016년 7월, 산업부 고시), 수소충전소 부품 KS인증 제조 도입(2017년 10월 고법 개정, 2019년 11월1일 시행), 무인동력 비행장치용 압축수소 용기의 제조기준(2018년 4월, 산업부 고시), 수소 가스시설 방폭 상세기준(2018년 7월, KGS코드 제정), 이동식 수소자동차 충전소 시설기준(2018년 10월, 산업부 고시), 압축수소 운송용 비금속라이너 복합재료 용기제조 기준(2019년 2월, KGS코드 제정) 등 수소시설의 안전성 확보의 기틀을 마련해 왔다.
이러한 안전기준의 제도적 기반은 정부의 지원으로 수행하고 있는 수소분야 R&D를 통해 이뤄져 왔다. 수소 융·복합 스테이션 위험성 평가 및 실증연구, 패키지형 수소충전소 플랫폼 모텔 개발 및 실증연구, 수소차·전기차 융합스테이션 국산화 기술개발 연구, 수소연료전지기술 국제표준 기반구축, 수소충전소 위험성평가 소프트웨어 개발, 수소충전소용 700bar 초고압밸브 국산화 개발, 수소충전소용 100MPa급 대용량 Hydraulic Compressor 개발, 적재량 4~5톤급 상용차용 연료전지 냉각시스템 및 수소트럭 개발, 수소충전소 계량을 위한 유량식 측정기술 기반구축, 고압가스부품 인증제도 도입에 따른 기준연구, 수소스테이션 700bar급 브레이크어웨이 및 성능인증 시험기준 개발, 분산발전용 고신뢰성 SOFC 스텍제조기술 개발, 9KW급 초경량 PEMFC 멀티콥터시스템 개발, 풍력에너지 잉여전력 활용 500KW급 하이브리드 수소변환 및 발전시스템 기술개발 등이 안전기준 제정과 관련해 완료됐거나 현재 진행 중인 R&D과제들이다.
수소 및 수소 관련제품의 안전성 확보를 위해 지난 2015년 영월에 에너지안전실증연구센터를 신설해 초고압 설비·제품 시험장비 구축을 추진했으며 현재 수소차 장착 수소용기는 15개 시험항목 중 14개 시험(총격시험 제외)이 가능하고 자동차 부품은 제품인증 업무를 수행하고 있으며 수소충전소 부품(밸브 3종, 수동밸브, 유량조절밸브, 체크밸브)는 지난해 11월2일부터 KS인증을 받도록 의무화돼 인증업무가 수행되고 있으며 현재 2개업체가 인증을 신청해 인증시험이 진행되고 있는 상황이다.
우리와 동일한 안전기준을 운영하고 있는 미국(56개), 일본(140여개), 유럽(100여개) 등 선진국에서 수소충전소를 10여년간 운영 중에 있음에도 지난해 6월10일 노르웨이 산드비카 수소충전소에서 발생한 수소 화재사고 이외에는 특별한 안전사고 발생 사례가 없는 것은 수소자동차 및 수소충전소의 안전성은 어느 정도 검증됐다고 볼 수 있다.
이와 같이 지난해 1월 정부에서 수소경제 활성화 로드맵을 발표해 수소경제를 선도할 수 있는 산업생태계 구축하겠다는 의욕적인 계획에 맞춰 안전성 확보에 필요한 제도, 기준개발, 실증연구, 시험인증 설비 구축 등이 단계적으로 준비되고 있다. 현재 수소자동차는 모든 부품이 국산화가 돼 있으나 수소충전소 인프라 구축은 외국기술 및 제품에 의존하고 있지만 안전성이 검증된 국산제품 개발도 정부의 적극적인 지원으로 병행 진행되고 있으므로 빠른 시일 내에 국민이 안심하고 신뢰할 수 있는 수소경제 이행 기반이 마련될 것으로 본다.
■강릉TP 및 노르웨이 사고를 계기로 본 수소시설 안전성 보완 방안
강릉TP 수소 저장탱크 폭발사고는 정부의 지원을 받아 IoT기반 전원 독립형 신재생 발전기술 개발 연구과정에서 실증설비의 시험 운전 중에 발생한 안타까운 사고이다.
국과수의 발표에 따르면 수전해 설비에 공급되는 전원부하의 불균형으로 인해 수소와 산소의 분리가 정확히 이뤄지지 못하고 수소저장설비 내로 산소가 수소연소범위 이상으로 유입(6% 이상)됐고 저장탱크 내 정전기 등의 점화원에 의해 저장탱크 내부에서 화학적 폭발이 발생한 것으로 조사됐다. 수소저장탱크는 물리적 압력에는 충분히 견디도록 설계돼 있고 압력이 규정 이상 상승하면 안전밸브가 작동해 저장탱크가 파열되는 것을 방지하도록 안전장치가 설치돼 있어 물리적으로 저장탱크가 파열되지는 않는다.
그러나 내부 연소폭발에 대해서는 설계 시 전혀 고려돼 있지 않으며 이는 어떠한 글로벌 기준에도 동일하다.
강릉 수소저장탱크 폭발사고는 현행 안전관리체계에 제도적, 기술적, 운영적 측면에서 많은 시급한 개선과제를 도출 시켰다.
먼저 제도적으로는 강릉TP와 같은 수소설비는 물을 전기분해해 수소를 발생시키는 수전해설비와 수소와 산소를 분리시키는 분리기, 분리된 수소 1차 저장설비까지는 저압(5~9bar)으로 운영됨에 따라 고압가스안전관리법 상의 고압가스(10bar 이상)에서 제외돼 법정 안전관리기준에 적용을 받지 않고 산업안전보건법에 의한 일반적인 관리만 받도록 돼 있어 제3자에 의한 안전성 검토 및 안전검사가 이뤄지지 않는 등 안전관리가 취약한 부분이 문제점으로 나타났다.
기술적으로는 수전해시설의 산소 수소 분리기술과 분리된 수소의 순도에 대한 품질관리 기준 및 기술, 수전해 공급 전원의 부하관리 등 국내 수전해 방식의 수소생산 기술 개발이 아직 미흡하고 수전해시설의 안전성에 대한 설비기준, 시설기준, 운영기준도 아직 마련돼 있지 않은 상태에서 이러한 기준을 마련하기 위한 실증 연구과정 중에 발생한 사고로 실증 중인 시설의 경우에도 우선적으로 안전 확보가 중요하다는 교훈을 다시 인식시키는 계기가 됐다고 본다.
운영측면에서는 수소는 폭발범위가 넓어 수소생산 시 수소순도에 대한 품질검사가 반드시 수행돼야 하나 고압가스 설비에 해당되지 않고 판매 목적으로 수소를 생산하지 않아 수소 품질검사를 실시하지 않았고 태양광 및 풍력에 의한 전력 생산값이 일정하지 않은 상태에서 수전해시설을 운영하는 등 시설운영자의 운전관리가 미흡했던 것으로 여겨진다.
노르웨이 수소충전소 사고는 노르웨이 정부의 공식 발표는 아니지만 민관 합동조사에 참여한 Nel사의 잠정적 발표에 따르면 고압 저장용기(900bar, typeⅠ)의 플러그 체결 시 볼트 조립불량으로 용기와 플러그 연결부위에서 수소가스가 누출되면서 원인 미상의 점화원에 의해 화재가 발생한 것으로 추정된다.
다행히 국내 고압용기는 노르웨이 사고 고압용기와는 구조(용기 연결부가 나사구조)가 달라 동일한 사고발생 개연성은 없는 상황이다.
강릉TP 수소저장탱크 폭발사고 이후 산업부와 공사에서는 수소시설 특별 안전대책으로 수소 R&D시설, 충전소, 제조소, 저장·사용시설 등 797개시설과 수소튜브트레일러 569대에 대한 특별점검을 실시했고 노르웨이 사고 원인 잠정 발표 이후 현재 운영 중인 29개 수소충전소에 대해 공사와 시공사 합동으로 열화상카메라·음향방출장비 등 최첨단 장비를 활용해 2차에 걸쳐 정밀안전진단을 실시해 안전사고 예방에 만전을 기하고 있다.
산업부에서도 모든 수소 R&D의 기술적측면과 관리적측면의 개선을 위해 수전해 설비의 수소순도 관리 안전장치 의무화, 산소제거 필터 및 산소농도 측정센서 설치 의무화, 안전매뉴얼 작성 및 안전검사 의무화, 책임보험 의무화 등 안전관리 책임 규정을 명문화하고 안전교육을 강화할 계획이다.
특히 안전관리 체계 강화를 위해 수소 생산, 운송, 저장, 활용 전주기에 대한 ‘수소 안전강화 종합대책’을 발표하고 수소안전관리 민관 T/F를 구성해 운영 중이며 수소 주요설비(저장탱크·용기, 밸브, 충전호스, 압축기, 충전기, 튜브트레일러 등) 제조, 설치 및 검사기준, 충전소 운영 시 안전관리기준, 사고대응 protocol 제정 등 전주기 안전기준을 글로벌 최고 수준으로 구축하는 것을 목표로 미국, 유럽, 일본 등의 수소 안전관리 제도현황을 종합 분석해 안전기준 강화를 추진하고 있다.
또한 강릉 사고와 같은 고압가스에 적용을 받지 않는 저압수소 설비의 안전기준, 검사제도 등 근거 마련을 위해 수소안전법 제정이후 후속조치를 추진할 계획이다.
■수소시설 안전성 확보를 위한 가스안전공사의 향후 추진 사항
가스안전공사에서는 지난해 5월부터 수소안전관리 총괄 조직으로 수소안전추진단을 구성했고 7월부터는 검사지원처 내에 전담부서인 수소안전총괄팀을 설치해 운영 중이다.
강릉 및 노르웨이 사고발생에 따라 국내 수소시설의 안전확보를 위한 대책 마련과 효과적 현장 대응체계 구축을 통해 정부의 수소경제 활성화 정책의 효율적 지원과 수소안전 로드맵 수립 지원을 위한 업무를 수행하고 있다.
수소안전추진단은 전담인력 7명을 포함해 총 23명, 7개 분과로 조직돼 있으며 자문기구로 수소 관련 시공사 및 운영사 전문가로 구성된 수소안전협의회를 별도로 두고 있다.
주요 임무와 역할은 수소관련 시설 및 제품에 대한 제도 개선 및 기준개발 업무와 신규 충전소 기술검토 및 완성검사 실시, 수소관련 용기 및 부품 제조 기술 및 검사지원 업무, 시설 정밀안전진단업무, 수소관련 R&D 정책, 연구개발과제 기획 및 수행관리 업무, 수소 부품 인증기준 개발 및 인증, 수소충전소 안전성평가 및 프로토콜 개발업무, 수소안전 대 국민 홍보 및 체험관 구축 검토 업무, 수소 안전관리자 양성교육과정 신설 및 전문교육 강화방안 수립 등 제도·검사·연구·교육·홍보 등 수소안전관련 종합적 업무를 수행하고 있다.
가스안전공사는 전담부서를 통해 수소충전소의 기술검토에서 중간 및 완성검사 등 충전소 설치계획 및 시공전반에 대해 일원화 관리를 하고 특별안전점검 및 정밀안전진단을 주기적으로 실시하고 있다. 향후 수소충전소 설치 주변지역에 미치는 영향을 최소화 할 수 있도록 충전소 설치 전 안전성 평가를 실시하는 방안을 검토하고 충전소별 전담직원(공사 또는 외부전문가)을 배치해 설계 및 시공, 운영의 안전확보를 위한 컨설팅 실시, 충전소 고장 모드 분석, 원인규명 및 DB구축, Fail-Safety기술 확보 등 안전관리 모니터링 기술개발, 충전압력·유량·온도 등 안전 관련 주요항목 실시간 모니터링시스템 구축 등 수소충전소 안전확보를 위한 집중관리를 강화해 나갈 계획이다.
■수소시설 안전성 확보를 위한 제언
수소의 연료로의 활용은 그동안 연구 또는 실증단계에서 시범적으로 수소충전소를 운영하거나 울산의 연료전지를 설치한 수소타운과 같이 일부에서 제한적으로 이뤄져 왔으나 지난해 1월 정부의 수소경제 활성화 로드맵 발표 이후 산업부, 국토부, 환경부의 지원을 받아 각 지자체에서 경쟁적으로 수소충전소 구축사업을 추진해 지난해 10월 말 전년보다 20개소가 증가한 36개소의 충전소가 운영 중이며 연말까지 30개소가 더 허가가 될 계획이었다.
이와 같이 수소충전소는 시범사업의 실증단계에서 급속하게 상용단계로 전환 중에 있는 상황이다. 이러한 급속한 상용화는 수소충전소 설치에 들어가는 각종 설비 및 부품에 대해 국내기업의 국산화 개발이 연계되지 못해 당분간은 외국산 설비 및 제품 수입에 의존할 수 밖에 없고 시공 및 운영기술 또한 외국과의 경쟁력에서 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다. 수소충전소 시설 설치 및 기술기준은 사전 준비가 지속적으로 이뤄져 국제적인 수준으로 정비돼 있으나 설비 및 부품에 대한 안전성 인증 및 시험은 기준이 일부 마련돼 있으나 인증 및 시험 설비 구축이 아직 진행 중에 있어 국내에서 인증 및 시험이 이뤄지지 못하고 있는 안타까운 상황이다.
다행히 수소충전소에 설치되는 7종의 밸브에 대한 KS규격이 마련돼 있고 그 중 3종의 밸브(수동밸브, 유량조절밸브, 체크밸브)는 지난해 11월1일부터 안전인증이 가능한 사항이나 저장용기, 압축기, 충전기 등 주요설비에 대해서는 인증 및 시험설비 구축에 많은 예산이 들고 구축기간이 장기간 소요될 것으로 예상되므로 정부의 보다 적극적인 지원이 필요하다. 인증 및 시험설비 구축은 국내 수소 관련 산업의 육성을 통한 부품 국산화를 위해서도 필연적인 사항으로 아직 초기 수준인 수소산업의 국제 경쟁력 선제적 확보에도 크게 필요한 사항이다.
또한 수소충전소는 700~900bar의 고압으로 운영되고 있으나 상용으로의 운영경험 등이 없는 점을 고려해 운영 중 발생하는 다양한 문제에 대해 정확한 원인 파악과 개선이 지속적으로 이뤄지고 기록 관리돼야 한다.
특히 연결부의 가스누출에 대한 점검 및 유지보수가 상시적으로 진행돼야 한다.
일본의 경우 최근 3년간 140여개의 수소 충전소에서 64건의 가스누출 사고가 있었던 것으로 조사 발표됐다.
다행히 모두 단순 누출사고로 화재 등 외부 피해사고로 이어지지는 않았지만 고압시설에서의 상시적인 안전점검이 반드시 수행돼야 함을 알 수 있다.
가스안전공사에서는 현재 운영되는 충전소 및 건설 중인 충전소 안전관리관계자와 보수이력관리 및 사고 사례에 대한 정보를 공유해 안전관리 활동에 활용할 수 있는 시스템을 구축할 계획으로 수소시설 설치 시공자 및 충전소 안전관리자의 적극적인 자료 공유와 참여를 당부하고자 한다.
수소차·연료전지 등 수소 활용분야는 이제 초기 보급단계로서 세계 수소경제를 선도하고 우리나라의 새로운 성장 동력으로 충분한 잠재력과 가능성을 갖고 있지만 안전성이 확보되지 않는다면 수소경제 도래시기를 보장할 수 없으므로 수소경제 활성화 로드맵에 맞춰 수소안전 로드맵도 조속한 수립을 통해 수소경제 활성화에 맞춰 안전관리가 병행 추진돼야 한다는 점을 강조하고자 한다.