수소 발전의 또 다른 과제, 안전사고

수소 발전의 또 다른 과제, 안전사고

대학생신재생에너지기자단 21기 김채윤, 22기 박주은, 23기 김서정, 박하연, 24기 김유주, 이우진

 

[강릉 수소폭발 사고 : 수소의 경고]

[자료1. 강릉 수소 폭발 사고의 모습]

출처 : 안전저널

2019년 5월 23일 18시 22분, 강릉시 대전동 과학산업단지 내 강원테크노파크에서 수소탱크가 폭발하여 2명이 사망하고 1명이 중상, 5명이 경상을 입은 사고가 발생했다. 게다가 폭발로 인해 수소충전소 시설물과 주변 건물이 큰 피해를 입었다. 사고 후 현장에서의 정밀 조사 결과, 이 사건의 주요 원인은 수소 유출과 이에 따른 불안정한 환경에서의 폭발로 밝혀졌다. 하지만, 이는 표면적인 원인이라는 것이 학계 전문가들의 분석이다.사고의 주요 원인 중 하나는 수소의 누출이었다. 수소는 매우 가볍고 빠르게 확산되는 특성을 가지며, 충전소 내부에서의 유출로 인해 수소탱크 및 버퍼탱크(생산된 수소를 일정한 압력으로 공급하기 위해 수소를 저장하는 탱크) 내부로 폭발 범위의 혼합농도 (6% 이상) 이상의 높은 농도로 수소가 누적되었다. 이렇듯 높은 농도의 수소가 누적되는 환경에서 발화 원인이 더해지면 충분히 폭발을 유발한 것이다.

하지만, 안전 절차가 부족했던 것도 사고의 위험을 높인 것으로 드러났다. 수소의 충전 및 보관과 같은 기본적인 안전 절차가 충분히 지켜지지 않았다. 분리한 수소를 저장하는 과정에서 산소를 걸러내는 안전장치가 반드시 필요한데, 수전해 시설 설계 도면을 확인한 결과 안전장치 자체가 없었던 것으로 확인되었다. 즉, 충전소 운영자 및 관련 당국이 더욱 강화된 안전 프로토콜을 마련하지 않은 것이 사고의 위험을 높인 것이다.

 

[최근 발생한 국내외 수소 사고 사례]

강릉 수소 폭발 사고 이외에도 수소가스로 인한 화재나 폭발 사고는 계속해서 발생하고 있다. 특히 2019년에 해외에서 발생한 3건의 사고는 자주 언급되는 수소 사고의 사례이다.

2019년 5월,  미국 일리노이주의 도시 와키건에서 수소 폭발 사고가 발생하였다. 이  사고로 4명이 사망하고 3명이 부상을 입었으며, 약 100만 달러 이상의 피해가 발생했다. 와키건에 위치한 특수 실리콘 물질 제조업체 AB Specialty Silicones에서 발생한 이 사고는 약 30km 떨어진 곳에서도 느낄 수 있을 정도로 큰 폭발이었다. 당시 작업자들은 생산건물 내부의 탱크에 수동으로 화학물질을 주입하는 작업을 진행 중이었다. 그러나 이 과정에서 성질이 맞지 않는 두 개의 화학 물질이 반응하며 인화성 수소가스가 생성되었고, 이로 인해 대규모 폭발과 화재가 발생하였다.

[자료2. 와키건 폭발사고 이후 현장의 모습]

출처 :  American Chemical Society 

2019년 6월에는 미국 캘리포니아주의 도시 Santa Clara에서 수소 폭발 사고가 발생했다. 이 사고는 산업용 가스 공급업체인 Air Products사의 시설에서 발생한 사고로, 수소를 운송하는 트레일러에 충전 중이던 수소가스가 누출되어 폭발과 화재가 발생하였다. 이 사고로 2명의 경상자 이외에 인명피해는 발생하지 않았지만, 인근에 주차되어 있던 차량들이 큰 피해를 보았다.

[자료3. 산타클라라 수소사고로 피해를 입은 차량들]

출처 : Hydrogen Tools

그뿐만 아니라, 같은 달 노르웨이 오슬로에서도 수소 기술 제조업체 Nel사의 수소충전소에서 화재 사고가 발생하였다. 사고 이후 Nel사는 자사 홈페이지를 통해 "고압 저장장치 내 수소탱크의 특정 플러그 조립 오류로 인하여 수소가스가 누출되었고, 수소와 산소의 화합물이 생성되어 발화한 것"이라고 밝혔다.

[자료4. 오슬로 수소사고로 화재가 발생한 해당 수소충전소]

출처 : erpecnews

우리나라의 경우 강릉 폭발 사고 이외에도 당진영덕고속도로 수소 운송 트레일러 사고가 수소 사고 사례로 언급되기도 한다. 2021년 12월, 당진영덕고속도로에서 운행 중인 SPG 소속 수소 운송 트레일러에서 화재가 발생하였던 이 사고는 차량 타이어의 화재로 인한 사고로, 수소가스로 인한 사고는 아니었던 것으로 밝혀졌다. 화재로 인해 수소 용기의 내부 압력이 상승하게 되면서 안전장치가 작동하여 수소가 강제로 배출되었고, 이로 인해 약 10~20M가량의 수소 화염이 발생하였지만 인명피해는 없는 것으로 확인되었다.

 

[수소 사고 예방을 위한 수소 안전 매뉴얼]

이렇듯 앞서 소개한 사고를 포함하여 최근 10여 년간 국내에서 수소 관련 화재 및 누출로 인한 사고는 총 23건이 발생하였으며, 이로 인해 4명이 사망하고 11명이 부상하였다. 게다가 2017년 이후로 사고 발생 건수 및 피해는 더욱 증가하는 추세이다.
한편, 정부는 수소 경제 활성화 로드맵을 발표한 이후, 수소 생산장 및 충전소를 확충하는 데 집중하며 수소 경제를 조성하기 위해 노력하고 있다. 이에 고용노동부는 2022년 11월에 수소 사용의 확대로 인해 관련 사고가 증가할 것을 염려하여, 수소 안전사고 예방 및 근로자 보호를 위해 ‘수소 안전 매뉴얼’을 발표하였다.

[자료5. 수소 안전 매뉴얼 표지]

출처 : 고용노동부

수소 안전 매뉴얼은 수소를 취급하는 설비 운영 시 반드시 숙지해야 하는 내용을 담아 제작하였으며, 크게 수소의 특성, 수소의 위험성, 수소 취급 시 안전조치 및 수소 사고 현황을 포함하고 있다.

먼저, 분자량이 작아 다른 가스보다 작은 틈새를 통해서도 누출되기 쉬우며, 점화의 가능성을 나타내는 연소한계가 넓어 화재가 발생하기 쉬울 뿐만 아니라 최소점화 에너지가 작아 작은 에너지에도 쉽게 발화되는 수소의 물리적 성질을 설명하였다. 또한, 수소의 위험성 부분에서는 수소의 물리적 특성과 연관하여 수소 취급 설비 시설에서 발생할 수 있는 화재 및 폭발의 원인 및 대응에 필요한 정보를 제시했다. 또한, 사고 예방을 위해 수소 취급 시 안전조치로 수소 부식방지를 위한 재질 선정, 수소 유도 균열 방지대책, 고온 수소 침식 방지대책, 수소 누출 감지 및 방폭 설비, 수소 저장설비 운전 등 작업 안전과 비상 대응 내용을 포함하였다.

실제로 수소 안전 매뉴얼이 발표되고 난 뒤, 전국 각지에서는 수소 사고를 예방하기 위한 시설 마련 및 대응 훈련이 활발히 이루어지고 있다. 한 예로 올해 6월 27일, 한국가스안전공사 경남본부는 수소충전소의 화재 사고에 대비하기 위해 창원산업진흥원 마산자유무역지역 수소충전소에서 사고 대응 훈련을 진행하였다. 또한, 7월에는 호우에 대비해 전국의 대형 수소 인프라 구축 현장 및 수소충전소 안전진단을 실행하여 안전관리를 강화하였다.

 

[수소 누출을 감지하는 팔라듐 기반 센서]

수소 발전은 앞서 언급한 바와 같이 공기 중으로의 누출로 인한 사고가 발생할 위험이 있다. 하지만 수소 가스는 무색, 무취라는 특성상 누출 시에 시각적인 판단, 검출이 쉽지 않고, 공기 중 수소 폭발 하한농도가 4%로 낮기 때문에 저농도의 수소를 감지해 초기 누설을 감지하는 것이 중요하다. 수소 감지 센서는 수소 누출로 인한 사고 방지뿐 아니라 수소 연료전지의 생산, 이송, 저장에서의 화학 공정(순도 모니터링)에서도 적용되어 꾸준한 연구가 진행되어 왔다. 수소 감지에는 주로 팔라듐이라는 물질이 사용되는데, 최근 팔라듐의 성질을 이용해 가시적으로 수소 누출을 확인할 수 있는 센서가 개발되어 주목받고 있다.

[자료6. 수소 농도 별 센서 적용 기술]

출처: CHERIC

팔라듐(Pd)은 백금속 원소 중 하나로 산소와의 반응이 없고 백금과 유사하며 화학적 안정성이 높은 것이 특징이다. 이에 초반에는 치과용 소재로 사용되었으나 최근에는 자동차 배기가스 정화용 촉매 등 유기합성 분야에서 사용된다. 중요한 점은 팔라듐이 부피의 900배까지 수소를 흡수할 수 있다는 점이다. 팔라듐은 다른 금속에 비해 수소 분자의 해리 반응에서 활성화 에너지가 낮아 수소를 잘 흡수할 수 있으며 흡착된 수소는 팔라듐 내부로 확산되어 자유롭게 이동할 수 있게 된다. 박막으로 만들 경우 수소는 통과하되 다른 기체는 통과할 수 없어 고순도의 수소 제작에 이용되며 연료전지에서 백금을 대체할 소재로도 연구 중이다.

이전까지의 센서는 수소를 흡수한 팔라듐의 전기적, 화학적 특성 변화를 정량적으로 검지하는 방식에 주목했었다. 산화 팔라듐 입자가 수소와 만나 팔라듐 입자로 환원될 때의 전도성 차이를 이용해 누출을 판단하는 것이다. 2022년 DGIST에서는 나노갭을 기반으로 누출된 수소 농도를 정량적으로 측정하는 기술을 개발했다. 앞서 말한 대로 팔라듐은 수소를 흡수하는 성질을 가지고 있어 수소 기체가 흡착되면 부피가 팽창하는데, 해당 기술에서는 금속의 팽창으로 나노갭이 메워지면서 전기가 흐른다. 이때 전류는 수소 농도에 비례하기 때문에 농도가 클수록 전류가 더 많이 흐르는 점을 활용해 누출된 수소 기체의 정량을 측정할 수 있었다. 하지만 실제 수소 발전이 이루어지는 현장에서는 누출 지점을 가시적으로 빠르게 파악하는 기술이 필요했다.

[자료7. 팔라듐 나노갭 기반 수소센서의 매커니즘]

출처: 월간수소경제

한국과학기술연구원에서는 상온, 상압, 고습의 실제 환경에서의 수소 가스 누출을 색 변화를 통해 확인 가능한 기술을 개발했다. 수소와 산소만 선택적으로 투과하는 고분자 박막의 위아래를 팔라듐 박막으로 감싸 적층해 박막 위에 아주 얇은 물 층이 형성되도록 제작했다. 장치 내에서 팔라듐 센서 표면에 O2가 우세하다면 H2O 분자는 물방울 형태로 형성되고, H2 우세하다면 팔라듐 센서의 표면에서는 H2O의 막(film)이 형성되게 되는데, 형성된 물 층이 센서의 빛 공명과 반사에 영향을 주어 색 변화를 일으키는 것이다.

[자료8. 기체 condition에 따른 Pd 표면에서의 물 분자 변화]

출처: PhotoniX

 

[녹색보다 안전 먼저!]

2023년 3월 정부는 탄소중립 녹색성장 기본계획안을 발표했다. 기본계획안은 2050 탄소중립을 위한 전략과 과제를 담고 있다. 그 중, 태양광 수소 등 청정에너지 확대로 400만 톤 이산화탄소를 추가 감축에 관한 내용이 포함되어 있다. 그 외에도, RE100 등 국제사회의 흐름에 발맞춰 신재생에너지 사용은 확대되어야 한다. 최근 정부에서 분산 에너지 특별법을 추진하면서 신재생에너지의 중요성이 확대되었다.

신재생에너지의 확대를 위해서는 위에서 언급된 수소뿐만 아니라 신재생에너지 전반의 안전사고에 대한 경계심을 고취해야 한다. 한국전력공사 해상풍력사업단은 2023년 3월 ‘해상풍력 안전사고 사례집’을 발표했다. 이 사례집에 따르면 풍력발전 산업단지 내 발전기와 장비 등에서 불이 나거나 떨어져 나가면서 추가로 발생하는 2차 사고를 막는 절차나 기준, 협약이 없다는 내용이다. 이 보고서는 사례를 분석한 결과 기초, 하부구조물 분야 사고가 자주 발생하는 추세이며 면밀한 지반 조사, 설계, 시공에 대한 관리 감독이 필요하다고 분석했다. 태양광의 경우 폭우와 태풍이 빈번하게 발생하는 여름에 안전사고의 위험에 노출된다. 풍수해에 취약한 산지 태양광 설비의 안전사고 우려가 크며 산사태의 위험도 고려해야 한다.

이처럼 신재생에너지 설비를 늘리는 데 급급하기보다는 철저한 조사와 사례를 분석하여 사고의 가능성을 사전에 파악해야 한다. 또한, 설계와 시공에 대한 감시와 감독이 필요하며 운영 중에도 지속적인 관리 감독이 필요하다. 특히, 특정 계절이나 자연재해 시기에는 빈번한 감독을 통해 안전사고 피해를 줄여야 한다. 사람이 직접 가기 힘든 곳에 설치되는 재생에너지 설비의 경우, 원격으로도 상태를 파악할 수 있는 장치들을 활용해 안전사고에 대비해야 한다. 마지막으로 신재생에너지 안전사고를 방지하기 위한 지속적인 연구가 필요하다.

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수소와 안전사고에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "수소에 대한 방심이 부른 사고, 강릉 수소탱크 폭발사고", 15기 김민서, 나혜인,
https://renewableenergyfollowers.tistory.com/2769 

수소에 대한 방심이 부른 사고, 강릉 수소탱크 폭발사고

2. "ESS 폭발사고가 배터리 탓이라고? 배터리도 나름 억울합니다!", 15기 김민서, 16기 임상현, 19기 김성민, 19기 서명근, 
https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3499

ESS 폭발사고가 배터리 탓이라고? 배터리도 나름 억울합니다!

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참고문헌

[강릉 수소 폭발 사고 : 수소의 경고]

1) 박설민, ‘[수소경제, 미래를 열다⑭] 강릉 수소폭발사고 2년, 어떤 교훈 얻었나’, 시사위크, 2021.02.04., http://www.sisaweek.com/news/articleView.html?idxno=141570 

2) 박영서, ‘8명 사상 '강릉 수소폭발사고'…산소 거르는 안전장치 없었다(종합)’, 연합뉴스, 2019.11.06., https://www.yna.co.kr/view/AKR20191106081651062 

[최근 발생한 국내외 수소 사고 사례]

1) Katherine A. Lemos, “Chemical Reaction, Hydrogen Release, Explosion, and Fire at AB Specialty Silicones”, CSB, 2019.05.03,
https://www.csb.gov/ab-specialty-silicones-llc/

2) h2tools, “Report on the June 2019 hydrogen explosion and fire incident In Santa Clara, California”, h2tools, 2021.06,
https://h2tools.org/hsp/downloads

3) Nelhydrogen, “Status and Q&A regarding the Kjørbo incident”, 2019,
https://nelhydrogen.com/status-and-qa-regarding-the-kjorbo-incident/ 

4) 최형주, “노르웨이 수소충전소 사고는 ‘화재’... 플러그가 ‘문제’”, 월간수소경제, 2019.06.28,
https://www.h2news.kr/mobile/article.html?no=7651  

[수소 사고 예방을 위한 수소 안전 매뉴얼] 

1) 고용노동부, “고용노동부, 신산업의 선제적 사고 예방을 위한 간담회 개최 및 "수소 안전 매뉴얼" 제작.배포”, 2022.11.17
https://www.moel.go.kr/news/enews/report/enewsView.do?news_seq=14250 

2) 고용노동부, 안전보건공단, “수소 안전 매뉴얼”, 55쪽, 대한민국, 2022.11

3) 최인수, “가스안전公 경남, 수소충전소 화재·폭발 사고 대비”, 에너지신문, 2023.06.27, https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=88490 

[수소 누출을 감지하는 팔라듐 센서]

1) Jongsu Lee, “Naked-eye observation of water-forming reaction on palladium etalon: transduction of gas-matter reaction into light-matter interaction”, PhotoniX, 2023.04.20, https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-023-00097-1

2) 성재경, “‘팔라듐 나노갭’으로 수소 누출 잡는 센서 개발”, 2022.01.04 , https://www.h2news.kr/mobile/article.html?no=9500 

3) 한국과학기술정보연구원, “수소경제에서 팔라듐의 역할”, 2011, https://www.reseat.or.kr/portal/bbs/B0000261/view.do?nttId=195871&menuNo=200019 

4) 한국과학기술연구원(KIST), “수소 가스 폭발 위험, 색변화로 사전 감지”, 2023. 08. 03, https://www.kist.re.kr/ko/news/latest-research-results.do?mode=view&articleNo=9336 

5) 서형탁 외 4명, “나노 소재 기반 변색-전기식 다중 감지 수소 센서 기술”, KIC News, Volume 26, No. 1, 2023, https://www.cheric.org/PDF/PIC/PC26/PC26-1-0033.pdf 

[녹색보다 안전 먼저!]

1) 강태윤, ‘산업부 “산지태양광 집중호우 피해 철저히 관리”’, 아시아투데이, 2023.07.19., https://www.asiatoday.co.kr/view.php?key=20230719010010650

2) 유가영, ‘탄소줄입 성패여부 첫 성적표 ’2030년 NDC 달성‘, 8년도 안 남았다’, 정책브리핑, 2023.04.17., https://www.korea.kr/news/contributePolicyView.do?newsId=148913893

3) 정회진, ‘해상풍력 사업 활발한데...2차 사고 방지책 없다’, 인천일보, 2023.03.14., https://www.incheonilbo.com/news/articleView.html?idxno=1185626