[가스신문(2024.04.03)] [2024년 가스기술사 제언-4월] 수소경제와 안전관리

(주)에스디 김정규 부사장(가스/화공기술사, 공학박사)

지구온난화 문제는 전 지구적 이슈가 된지 오래되었다. 세계 각국이 모여 지구 평균온도가 산업화 이전 대비 +1.5℃ 이상 올라가지 않도록 하는데 합의하고 온실가스 감축을 추진하고 있다.

우리 정부도 재생에너지 보급 확대 등을 통해 2030년까지 온실가스 배출량을 2018년 대비 35% 이상 감축하기로 하고 지속 노력 중이다. 하지만 재생에너지의 경우, 날씨에 따라 발전량의 변동이 심하고 저장이 어렵다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완해줄 수 있는 것이 바로 수소에너지이다. 수소는 저장 및 이송이 가능하고 연소 시 온실가스를 배출하지 않는 등 재생에너지의 단점을 보완할 수 있는 에너지이다.

우리나라는 2020년에 ‘수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률’을 세계 최초로 제정했다. 동 법 제2조 정의를 보면 ‘수소경제란, 수소의 생산 및 활용이 국가, 사회 및 국민생활 전반에 근본적 변화를 선도하여 새로운 경제성장을 견인하고 수소를 주요한 에너지원으로 사용하는 경제산업 구조를 말한다.’라고 명시돼 있다. 다시 말해 수소경제는 기존 화석연료 중심의 탄소경제와는 다른 신에너지 경제 구조라는 것이다. 그렇다면 이렇게 중요한 수소의 특성은 무엇이고, 안전관리 시 주안점은 무엇일까?

먼저 수소의 위험성에 대해 살펴보면, 수소의 가연성은 NFPA 704 코드상 최고등급인 ‘4’로 나타난다. 공기 중에서 연소범위는 4 ~ 75%이다. 다른 어떤 가스보다 넓으며 산소 하에서는 4 ~ 94%로 더 넓어진다. 또한 최소점화에너지가 0.02mJ로써 천연가스(0.29mJ)보다 매우 낮으며 작은 스파크에도 쉽게 점화될 수 있다. 공기 중에서 연소속도는 3.46m/s이며 메탄(0.43m/s) 보다 약 8배 빠르다. 연소 시 불꽃은 약한 푸른빛을 내지만 밝은 곳에서는 식별하기 어렵다. 아울러 분자의 크기가 매우 작고 점성이 작아 쉽게 누설될 수 있으며, 특정 금속 내부로 쉽게 확산해 금속의 취성을 유발한다.

위에서 언급한 대로 수소는 몇 가지 측면에서 위험성이 크지만, 공기의 1/14, 메탄가스의 1/8 수준으로 가볍다. 따라서 열린 공간에서는 쉽게 확산돼 폭발성 가스분위기를 만들지 않으므로 더 안전하다. 연료별 상대 위험도를 평가한 자료를 보면, 수소가 1일 때 가솔린은 1.44, LPG는 1.22, LNG는 1.03으로써 수소가 비교적 안전한 에너지임을 알 수 있다.

상기와 같은 수소의 특성을 고려 시, 우선 수소 설비는 환기가 잘되는 곳에 설치해야 한다. 또한 반드시 설비 주변에 가스감지기를 설치해야 한다. 그 이유는 수소와 비슷한 확산속도를 가지는 부취제가 없고 황 성분이 연료전지를 오염시키므로, 수소에 부취제를 첨가하지 않기 때문이다. 또한 화염이 잘 안보이므로 화염감지기를 설치해야 한다.

수소 사고사례를 보면, 주로 이송배관에서 사고가 발생하는데 대개 불충분한 불활성화가 원인인 경우가 많다. 수소 배관이나 용기는 수소 주입 전에 내부 공기를 반드시 질소나 헬륨 등 불활성가스로 치환해야 하며, 비울 때도 동일하게 불활성가스로 치환해야 한다. 단, 수소액화용 배관의 경우는 반드시 헬륨으로만 치환해야 한다. 질소를 사용하면 수소 액화 과정에서 질소가 고체화되기 때문이다.

수소는 중량 기준 가장 큰 에너지를 가지고 있지만 부피 기준으로는 작기에, 충분한 양을 저장하기 위해서는 높은 압력 또는 극저온 액체로 저장해야 한다. 특히 액화수소는 -253°C의 극저온 상태이므로 인체 접촉 시 심한 동상을 일으킨다. 따라서 액화수소를 취급할 때는 반드시 개인보호구를 착용해야 한다. 또한 액화수소의 기체 팽창비는 약 1:848이다. 액화수소가 배관 내 밀폐되면 기화로 인해 압력이 약 170MPa로 급격히 상승하여 파열에 따른 화재/폭발사고가 발생할 수 있다. 따라서 반드시 압력방출장치 및 방출관을 설치해야 한다. 끝으로 수소 액화 시 수소가 2가지의 핵 spin 이성질체가 있다는 점을 고려해야 한다. 액화공정상 촉매를 사용하여 상온의 75% Ortho 수소를 100% Para 수소로 전환/저장하면, 액체수소의 기화 속도를 크게 줄여 안전성을 높일 수 있다.

최근 수소자동차 및 수소충전소 증가, 그린수소 생산을 위한 활발한 연구 등을 볼 때 수소경제가 벌써 우리 생활로 들어온 것 같다. 수소 안전은 수소경제의 활성화를 위해 기본적으로 확보해야 할 필수 요소이다. 따라서 수소 시스템 설계 시 앞서 언급한 물리‧화학적 특성을 고려해야 하며, 설비 운영 시 안전관리에 더욱 주의를 기울일 필요가 있겠다.

출처 : 가스신문(http://www.gasnews.com)