수소·연료전지 안전성 연구의 필요성
수소·연료전지 안전성 연구의 필요성
  • 승인 2006.10.11
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수소시대 안전한 활용기반 마련해야
▲ 김영규 한국가스안전공사 수소안전연구팀 팀장
한국가스안전공사 가스안전연구개발원(원장 김지윤)은 올 8월부터 2009년 7월까지 3년 동안 ‘수소·연료전지 안전성 연구’를 가스안전연구개발원의 중점연구사업으로 진행할 예정이다. 본 사업은 산업자원부의 신재생에너지기술개발사업의 일환으로 ‘수소·연료전지사업단’의 2006년도 신규 과제로 선정된 사업이다. 앞으로 기술개발의 실용화를 지원하기 위한 안전기준을 개발하고, 보다 안전한 제품의 제조 및 이를 보급하기 위한 제품의 안전성 검사와 안전관리체계 확립 등 제도적인 법령체계를 정비하는 기초를 마련하게 된다.

1. 연구의 필요성

현재 대표적인 에너지원인 화석연료는 대기환경 오염과 자원의 고갈이라는 문제점으로 재생 가능한 새로운 에너지원의 개발과 더불어 순수 자연에너지원의 이용을 추구해 왔으며 이중에서도 저장이나 수송이 간편한 수소에너지가 단연 주목을 받고 있다. 수소(H2)는 연소할 때 대량의 열량을 방출하면서도 배기가스는 소량의 질소 산화물 뿐이므로 매우 강력하면서도 깨끗한 에너지원이다. 특히 연료전지로 쓰면 고효율의 전기를 얻을 수 있고 수소연료자동차의 개발로 인해 수송부문의 에너지원으로서도 효용가치가 높다.

수소가스는 모든 원자 중 가장 작고 자원이 풍부한 가스로서 산소와 잘 반응하고 점화에너지가 작아 Fossil fuel, Gasoline 등 기존 탄화수소 계열의 연료를 대체할 수 있다. 또 온실효과의 주원인인 이산화탄소 발생감소, 공해물질 발생 감소, 에너지 효율성 향상 등의 특성으로 인해 차세대 청정에너지원으로 주목을 받고 있으며 다양하게 제조 및 생산이 가능하다는 장점이 있다.

가스보다 최고 30배 이상 폭발적 위력
풍부한 에너지자원으로 기술선점 시급

그러나 폭발범위가 넓고 폭발화염 전파속도가 매우 빠른 가연성 가스로서 제조, 수송, 저장시 누출, 확산, 점화 및 폭발 등의 위험성으로 인해 현재까지 제한적인 용도로만 사용돼 왔다. 아현동 가스폭발사고, 부천 가스충전소 폭발사고, 여수 BTX라인 폭발 사고 및 기타 대규모 화재·폭발사고를 통해 알 수 있듯 수소역시 가스가 사고로 전이되면 폭발압력 및 폭굉파의 속도 등에 인해 통상 약 15~30배 정도로 그 피해규모는 가중되고 사망·상해로 인한 인적손실, 생산 가동정지 및 재투입 비용증가로 인한 경제적 손실 등은 치명적이다. 따라서 가스를 안전하게 활용하기 위해서는 다양한 사고사례 분석함으로써 물리적 메커니즘 규명하고 안전성 평가 및 사고예방 기술개발 등과 같은 정성적, 정량적 안전기술 개발이 필요하다.

수소경제에 진입하는 2030년 이후에는 수소에너지와 연료전지는 기존의 에너지체계를 대체하게 될 것으로 예상된다. 응용분야 역시 자동차, 분산전원 및 이동형 전원분야를 포함하는 광범위한 영역에서 상용화 기술개발이 이루어지고 있고 현재 일부 관련 제품이 출시되고 있는 실정이다. 연료전지의 경우 신산업 창출의 의미를 가지므로 각국 정부는 물론 산업체에서 전력을 기울이고 있는 분야며 주도권 확보를 위한 치열한 경함을 벌이고 있다.

따라서 이러한 대표적인 차세대 성장동력 에너지원인 수소 활용의 기기나 시설에 대한 기술개발과 아울러 실용화 및 보급 활성화에 대비한 국민의 안전 확보가 필수적이므로 수소에너지를 활용하는 시설 및 제품인 수소충전소, 연료전지시스템, 수소연료전지자동차(FCV) 등에 대한 체계적인 안전성 평가 체계가 마련돼야 하며 동시에 관련 안전기준(시설기준 및 기술기준)을 개발하는 노력이 필요하다.

2. 국내 연구 현황

산자부와 과기부에서는 사업단을 설립해 수소상용화를 위한 기술개발과 원천기술 중심으로한 고효율 수소제조 등의 기술개발 사업을 추진하고 있다. 산자부에서 추진하고 있는 수소 및 연료전지 관련 프로젝트의 경우 연료전지 자동차 및 수소충전소 기술개발·보급 추진하기 위해 먼저 75kW급 연료전지 승용차의 기술개발을 진행중이며 정부 관용차 도입을 목표로 기술개발이 완료된 연료전지 자동차 1호의 산자부 관용차 도입 및 단계적 도입계획 마련하고 있다. 승용차뿐 아니라 250kW급 연료전지 버스 기술개발 및 보급도 추진되고 있다. 버스는 승용차보다 기술적으로 개발이 용이해 무공해·고효율 대중교통수단으로 비교적 더 유리한 이점이 있다고 판단된다. 연료전지 자동차의 대량보급을 위해서 우선 시범사업으로 추진하기 위한 수소충전소 개발·보급과 함께 연료전지 자동차 보급 인프라 구축중이다.

연료전지의 경우 과기연, 에기연 등에서 스택과 시스템에 대한 기본 연구를 거쳐 퓨얼셀 파워, 세티, 대구도시가스 등 민간기업이 참여하면서 상용화 기술의 완성도를 한층 높여가고 있는 상황이다.

연료전지 상용화에 가장 앞장서고 있는 것은 1kW급 가정용 고분자 연료전지시스템(PEMFC)이다. 1kW급 시스템은 기술적 난이도나 시장침투의 용이성 등에서 성공확률이 높다. 특히 일본, 대만, 우리나라와 같이 인구가 밀집되어 있고 도시가스 공급인프라가 잘 발달된 지역에서 계통 연계형으로 운영하는 것을 주요 시장목표로 하고 있다. 신규 모니터링사업으로 2006년 40대, 2007년 70대, 2008년 100대 등 총 210대를 운영해 필요한 데이터를 확보하고 제작업체에게 이를 제공함으로써 국산화 부품기술개발 등을 가속화하게 될 예정이다.

▲ 수소에너지 공급체계도

3. 중점분야 및 문제해결 방안

그동안 수소에너지 활용방안의 연구는 수소·연료전지 기술개발 및 보급투자에 집중되어 있고 안전기술 개발이 상대적으로 저조해 보급 및 산업화를 위한 인프라 구축 등의 연계성 부족을 초래하고 있다. 따라서 기술개발·보급·상용화에 관한 시너지 효과가 높지 않은 현실에 있다.

현재 국내에서는 선진국에 비해 기술수준이 낮은 수소·연료전지 핵심기술 확보를 위한 기술개발 및 실증연구에 집중하고 있으나 시스템 설치를 위한 국내 실정에 적합한 안전기준이 아직 확보되지 않은 상태다. 때문에 관련 제품의 생산 및 보급이나 안전 확인을 위한 국가의 안전기준 확립이 기술개발과 동시에 추진돼야 한다.

수소경제를 실현하기 위해서는 수소제품 및 생산, 저장, 운송 등의 장치시설에 대한 기술개발 외에도 수소안전 기술을 포함한 인프라 기술이 구축돼야 한다. 수소경제로의 원활한 전환 중에 수소 관련 안전사고의 발생은 수소경제 실현에 커다단 장애로 작용할 수 있으며 기술개발 및 실용화 일정을 심각하게 지연시킬 가능성도 있다. 따라서 수소의 저밀도, 고인화성, 폭발성 등 고유의 특성 때문에 위험성이 높은 초고압 상태로 저장·운송·이용되는 경우가 많으므로 특성을 고려한 안전기준 마련이 필수적이다.

1) 연구개발 중점분야

연료전지, 충전소, 수소연료전지차량과 관련해 문제가 되고 있는 주요 핵심 분야는 △연료전지 안전성 검사 및 설치 가이드라인 △수소충전소 인허가 규정 △수소연료전지자동차용 고압용기 등 연료공급시스템에 대한 관련규정들이다. 따라서 수소에너지 활용과 관련한 안전분야에서 연구개발이 필요한 중점분야는 △연료전지시스템의 안전제조와 설치 및 운영 등의 안전관리 △수소충전소 시설의 안전성 평가기술 확립과 안전설치 및 운영 등 안전관리 △연료전지자동차의 안전 확보를 위한 연료공급 시스템에 대한 안전성 평가 및 관련 부품의 제조시설 및 기술기준 확립 등의 사항이다.

2) 문제해결 방안

국내 연료전지, 수소충전소, 연료전지자동차 관련의 안전성 평가 및 안전기준을 개발하는 과정에서 예상되는 핵심적인 애로사항은 다음과 같다.

△연료전지시스템의 경우 1kW급은 퓨얼셀파워와 GS 퓨얼셀에서, 2kW급은 대구도시가스에서, 5kW급은 에너지기술연구원과 한전이나 포스코에서도 개발중에 있으며 한국가스공사도 국내 및 외국 시스템 운영에 대한 연구를 추진하였고, 신규로 모니터링 사업을 진행중에 있으나 관련 부품의 내구성이나 국산화 비율이 약 50%로 높지 않은 상태다. 또한 이들 시스템에 대한 설치 및 안전성 평가와 관련된 안전기준도 미비한 실정이다.

△수소충전소는 현대자동차 연구소에서 3기를 운영중에 있고 에너지기술연구원에서 1기를 완공하였으며 한국가스공사 등에서 2곳이 건설중이나 현재 안전성 평가방안이나 기준이 확립되지 않은 상태다.

△연료전지자동차는 현대자동차에서 모니터링 사업을 추진중에 있고 GM대우의 경우도 도입하여 자체 운영체제를 구축중에 있으나 국내의 관련 연료공급시스템에 대한 안전성 평가 및 체계적인 안전기준이 정립되지는 않았다.

△수소기체용 복합재 고압용기는 35MPa, 72리터로 파열시험, 압력반복시험, 환경시험, 낙하시험, 화염노출시험 등을 수행한 바 있으나 안전성 확보여부는 불투명한 상황이다.

따라서 본 연구에서는 연료전지, 수소충전소, 연료전지자동차 관련의 애로사항 등의 문제점을 체계적으로 해결하기 위해 연차별 연구수행과 국내·외 산업체, 대학, 연구소의 기술동향 파악 및 규격 등 정보 수집이 무엇보다 중요하다. 또 연료전지 제조사, 수소충전소 등 관련 연구를 수행하는 전문 연구소와의 협력체계를 구축해 안전성 평가기법 확립과 함께 안전기준안을 개발해야 한다.

4. 기대효과 및 활용방안

수소·연료전지 안전성 연구를 통해 기대할 수 있는 결과는 다양하다. 우선 연료전지의 직접적인 사용을 위한 제조검사 기준 및 안전기준을 마련하는 토대가 되며 이를 통해 연료전지 상용화 개발 및 보급 활성화를 이룰 수 있다. 또 연료전지 구성부품의 공용화 기반도 갖출 수 있는 기회를 제공할 것이다.

또 수소충전소 설치운영 및 연료전지자동차 연료공급시스템과 관련한 안전기준을 마련하는 근거를 제공함으로써 추후 수소연료전지 차량 연료공급시스템 공용화 및 보급기반을 구축하는 근간을 구축할 수 있다.

수소경제 진입위해 안전인프라 구축해야
위험성 고려한 필수사항 안전기준 마련

연료전지시스템의 위험요소 분석, 개질시스템 분석, 성능평가를 통한 제품의 신뢰성 및 안전성을 향상하며 수소충전소의 위험요소 분석, 재해 리스크 평가, 최적의 안전거리 설정 등을 통한 시설의 신뢰성을 제공한다.

이는 수소 안전관리 분야의 국제적인 종합적 안전관리체계를 조기 실현을 위한 기반이 될 것으로 기대되며 안전사고 예방으로 재산 및 인명의 보호할 수 있는 기본적인 토대가 될 것이다.

공사가 개발한 수소안전기준은 추후 법령화에 반영함으로써 신규 개발제품의 실용화 및 보급에 대비하는 한편 제조설치에 지장이 없도록 관련규정 제·개정하는 중추적인 역할 수행할 것이다. 또 소물성 DB, 수소재료 침입거동 평가, 화재폭발 해석 및 피해범위 예측 데이터 확보함으로써 수소공통기술 기반구축으로 안전데이터를 제조업체에 제공해 관련업계의 기술기반을 제공하게 된다.

이같은 이유로 수소에너지 활성화에 대비 수소안전 인프라 구축 등 관련 안전기준의 확립은 무엇보다 중요한 사항이며 향후 국제화 기준 반영시에도 중요한 근거로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.



● 참고자료









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