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[기고] 수소경제, 주도권 확보 위한 방안
수소인프라분야의 국제기구 및 국가 간 협력 강조
한국가스안전공사 에너지안전실증센터 이재훈 화재폭발연구부장
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[1437호] 승인 2020.05.20  23:44:04
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美 수소차 보급 10만대 이상, 액체수소>기체수소 분석결과 발표
국내 연구 및 실증결과 국제기준 반영 위한 국제협력 강화 필요

 

최근 국내·외 수소충전소 사고 이후 수소인프라 분야 안전 이슈의 급부상으로 국가별 시급한 현안 해결을 위한 국제적 협력 필요성에 대한 공감대가 확산되는 추세다.

지난해 국제수소경제파트너쉽(IPHE) 제32차 운영위원회가 서울에서 개최돼 수소분야 규제, 코드, 기준 및 안전부문 활동 강화를 논의했고 후속 대책으로 지난 2월 도쿄에서 RCS&S 분과 화상회의가 개최됐다. 3월에는 CHS와 한국의 수소화재·폭발 실증 경험 등 안전강화 활동을 포함한 내용을 중심으로 국제화상회의도 개최됐다.

미국은 지난해부터 미국화학공학회(AIChE)에 수소안전센터(CHS)를 설치, 정부와 글로벌 기업이 수소안전·사고관련 정보공유 창구로 활용 중이다. 또한 한국가스안전공사 에너지안전실증연구센터는 2014년부터 독일연방물질시험연구소(BAM)와 지속적인 협력관계를 유지 중이며, 2018년에는 액체수소 생산 및 충전 분야 기술개발 및 국제표준 제정 공동 노력을 위한 양해각서도 체결했다.

이와 같은 국제협력 활동은 유럽의 이산화탄소 규제 가속화 정책 지속 영향에 따라 전력기반차로 자동차 산업이 급속하게 재편되는 국면과 맞물려있다. 특히 수소전기차 및 인프라 구축이 본격화 될수록 안전분야를 중심으로 국제기준에 대한 자국 산업의 이익을 담아내기 위한 정책도 가속화될 것으로 예상된다.

 

수소공급 인프라 경제성 확보 방안

수소생산 및 공급방식을 살펴보면 부생수소를 압축한 튜브트레일러 방식에 의한 공급이 대부분이고, 일부 천연가스를 개질한 추출수소를 공급하는 경우도 있다. 설치되는 충전소의 일일 충전량은 250∼500㎏급으로 이는 보급 초기 사용자 접근성 강화를 위한 접근 전략의 일환이다. 그러나 수소차 보급의 확대로 경제성이 수소충전소 운영의 핵심 고려요인으로 작용하는 시점에서는 규모의 경제를 기반으로 하는 대용량 수소공급시스템 구축이 요구된다. 수소버스, 트럭 등 경유차 대체 수단의 지속 확대에 따른 충전기능과 가정·상업용으로 활용을 위한 공급기능의 병행을 위해서는 대용량 저장이 핵심 고려 요소이다.

지속적 증가가 예상되는 수소차의 연차별 보급 목표를 전제로 미국 DOE에서 제공하는 수소충전소 경제성 해석 모델인 HDSAM을 이용해, 기체 및 액체수소 공급 가격 예측 결과에 의하면 수소차 보급이 10만대 이상인 경우 액체수소 방식이 기체수소 방식보다 유리한 것으로 분석됐다.

대용량 수소활용처인 수소도시와 버스와 트럭 등 자동차에 에너지를 공급하기 위해선 도시 내 메가스테이션을 중심으로 이와 연결된 파이프라인 네트워크를 구성하는 것이 대안이 될 수 있다. 장거리 수송을 위한 수소배관망의 경우 경제성과 초기 투자비용이 고가인 점을 감안하여 생산량과 수요량 예측 결과를 반영하여 검토하는 것이 바람직하다.

지난해 미국 ORNL에서는 DOE의 지원을 받아 수소충전소의 구축 및 운영·유지 비용 중 가장 높은 비중을 차지하는 압축기 또는 액중 펌프가 없는 액체수소충전시스템 개발을 위한 개념 연구 결과를 보고했다. 액체수소 분야에 강점이 있는 독일이 액중펌프를 이용하는 방식이라는 점을 감안하면 경제성 측면에서 획기적인 개념이라고 할 수 있다. 미국 및 독일 등 액체수소 분야 선도국을 중심으로 경제적인 수소충전시스템 기술 선점을 위한 경쟁이 치열하게 진행되고 있음을 알 수 있다.

 

수소인프라 분야 안전관리기술 개발 동향

1) 수소충전소 위험성평가

수소인프라는 생산, 저장·운송, 충전 및 활용 등 다양한 밸류체인으로 구성되며 각 밸류체인의 경우에도 높은 에너지저장밀도를 가진 초고압시스템으로 구성되어 있다. 수소 안전은 수소인프라 전체에 적용되며, 수소경제의 지속을 위한 전제조건이다. 따라서 지금보다 높은 수준의 안전성 확보를 위해서는 제도의 사각지대 해소가 필요하며 전체적인 방향은 규제는 완화하되, 안전은 강화하는 방향으로 정립되어야 한다.

개선 방법으로는 이론과 실증을 토대로 과학적인 안전 확보와 국제기준 부합화를 추구하되 검토 절차는 수소인프라의 생애주기 전체에 걸쳐 체계화된 안전성 평가시스템을 도입돼야 한다. 산업통상자원부에서는 제4차 에너지기술개발 기본계획에 따른 로드맵 수립을 완료했으며, 수소인프라 분야 안전성 확보를 위한 연구개발 계획을 폭넓게 제시하고 있다.

호서대와 가스안전공사 연구원 및 에안센터는 미국 SNL과 공동으로 수소충전소 위험성 평가를 위한 소프트웨어 개발 과제를 수행 중에 있다. 한국에너지기술평가원의 지원을 통해 국제협력과제로 추진 중인 이번 과제는 미국 SNL에서 개발한 이론적 카테고리(Hy-RAM)에 에안센터의 화재·폭발 실증결과를 반영하고, 위험성 평가기법을 추가하여 예측 정확도가 향상된 프로그램을 개발하는 것이 목표이다.

미국 SNL은 이번 과제 종료 후 멀티에너지 충전시설 위험성평가모델 개발(AltRAM) 연구를 추가로 수행할 예정이며, AltRAM에는 기·액체 수소충전소 모델과 이종 연료간 상호 작용에 대응하기 위한 위험성 평가 로직이 탑재될 예정이다. 연구를 통한 국제협력 관계를 토대로 향후 추진 예정인 AltRAM 개발 과제의 참여 및 지속적인 공동연구 과제 추진이 필요한 시점이다.

2) 수소인프라 방폭설계 기준 보완 연구 동향

강릉사고 등 가스 화재·폭발 사고 원인조사 결과에 의하면 점화원의 규명은 매우 어려운 숙제이다. Sam Mannan등에 의하면 통상 공장 내에서 발생하는 화재·폭발사고의 점화원으로 전기가 차지하는 비율은 17%로 보고되고 있다. 가스시설의 경우 화염, 고온표면, 고온입자 등 점화원 관리에 철저하다는 점을 감안하면 전기가 점화원으로 작용할 가능성은 훨씬 높을 것으로 추정된다.

전기설비로 인한 가연성가스의 화재·폭발을 방지하기 위해서는 가연성가스 분위기 생성확률과 전기설비의 점화원 제공 확률의 곱을 0에 가깝도록 해야 한다. 이와 같은 문제의 해결 방안은 위험분위기의 생성 방지와 전기설비를 방폭구조로 설치하는 것이라고 할 수 있다.

또한 방폭분야 국내외 기준 동시 적용에 따른 플랜트 설계 시 혼선을 예방하기 위해서는 선진국들을 중심으로 제정·운영되고 있는 국제규격과 비교 검토를 통해 보완할 필요가 있다. 국외 방폭구역의 구분, 방폭전기 기기의 설치 및 유지관리에 관한 기준으로는 IEC, API, NFPA 등이 있고, 국내 가스 3법에서는 KGS GC201(가스시설 전기방폭 기준)에 제시돼 있으며, ‘산업안전보건법’에서는 방폭전기기기에 대한 안전인증제도를 운영하고 있다.

가스안전공사에서는 전기설비의 점화원 제공 확률을 낮추고 방폭구조의 설계 시 접근성을 강화하기 위해 ‘방폭구역 설정방법 실증 및 방폭전기기기 유지관리 성능검증 기술개발’ 과제를 수행했다.

주요 내용을 살펴보면 KGS GC102 알고리즘을 탑재한 KGS-HAC프로그램을 개발하여 시뮬레이션을 통해 위험장소를 쉽게 분류할 수 있도록 했다. 또한 국제규격을 기반으로 국내기준을 보완하되 CFD 소프트웨어를 활용한 누출 및 확산 시뮬레이션 수행결과와 해외기준을 토대로 현장에 쉽게 적용할 수 있도록 했다.

 

용기 및 연료공급장치 기준 제·개정 동향

1) 버스용 연료공급시스템의 국제기준

수소전기차 분야 세계기술규정(GTR No.13)은 2013년에 제정돼 2017년 GTR 2단계 개정을 위한 요청이 승인된 상태이다. 국내 수소전기차 용기 및 연료공급장치 기준은 EC 79(2009) 기반으로 제정돼 국토교통부 고시로 시행중에 있어 국제기준과 국내 기준은 상당한 차이를 보이고 있다.

한국, 미국, 일본 및 유럽집행위원회(EC) 주도로 추진 중인 GTR 2단계 기준 개정 시 논의될 주요 안건으로는 차종범위 확대, 수소충전구 기준 제정, 현행 시험절차 및 기준 개정, 화재 시험 시 화염길이 등 시험방법 표준화, ISO TC197와 GTR 13 기준조화 등이 포함되어 있으며, 이중 수소버스와 관련된 내용으로는 차종범위 확대, 수소충전구 기준, 화재시험법 표준화 등이 있다. 특히, 수소버스와 관련된 기준은 개정 논의 초기 단계로 국내 자동차 및 부품 제작사가 시행착오를 최소화하기 위한 기준 제정 연구 개발이 필요한 시점이다.

   
▲ ◼ [그림 1] 수소버스 용기 및 연료공급시스템 기준 개정 방향(교통안전공단)

2) 연료공급시스템 분야 국제기준

수소전기차 주행거리 확대를 위해서는 수소저장량을 늘리는 것이 필수적이나, 현재 원통형 저장용기는 전용 탑재 공간이 필요하며 주행거리 확대를 위한 저장량 확대에 장애요인으로 작용하고 있다. 또한 수소전기차 용기 전용 탑재 공간과 전기차에 장착되는 배터리 탑재 공간과의 호환성이 없어 자동차 제작 시 공간 효율성 측면에서 큰 낭비요소로 작용하고 있다.

최근 이와 같은 문제의 해결을 위하여 전기차와 수소차 공용 플랫폼 개발을 통해 수소저장용기가 전기자동차의 배터리 장착 공간에 탑재 가능하도록 하기 위한 자동차 제조사들의 연구가 활발하게 진행 중에 있다. 캐나다 Linamar社는 전기차와 수소전기차 공용플렛폼 컨셉으로 곡관형 수소저장용기를 개발 중이며, 프랑스 Mahytec社 및 미국 DOE 등에서 공간효율성이 대폭 개선된 곡관형 수소저장용기 개발 중에 있다.

   
▲ ◼ [그림 2] 곡관형 수소저장용기 누출시험장치 설계 개념도(DOE)* 출처: DOE/DE-EE0006967, "conformable hydrogen storage pressure vessel"

따라서 새로운 형태의 비정형 수소저장용기의 안전성 확보를 위해서는 기존의 수소저장용기와 동일한 수준의 시험기준 정립이 필요하다. 현재까지 다수의 용기로 구성된 형태 또는 단일 구조의 곡관형 수소저장용기는 국제기준이 없으므로 이에 적합한 시험기준을 정립하고, 제품화를 위한 표준 제정 연구가 필요하다.

지금까지 수소산업 주도권 확보를 위한 국제협력 활동과 수소경제로드맵 진행에 따른 수소공급시스템의 경제성 확보 방안에 대해 알아보았다. 이와 같은 연구 및 실증결과가 국제기준에 반영되기 위해서는 IPHE 등 국제기구와의 활동 강화와 산업부와 미국 DOE간 매년 개최되는 한-미 에너지정책회담의 주요 의제로 상정하는 방안도 검토할 필요가 있다.

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