폭발성, 인화성, 확산성 등 높아
특성 이해하고 안전의식 제고해야

1. 개요 
생활수준 향상과 지구의 더 나은 대기 질 환경 개선에 대한 요구 의식이 높아짐에 따라 기본 에너지원이 석유와 석탄이 주축인 화석연료에서 지구환경 오염의 주범으로 지목되고 있는 이산화탄소 발생을 최소화 할 수 있는 청정에너지원으로 주목받고 있는  수소는 운송, 난방 및 발전에 사용될 수 있으며 현재의 모든 용도에서 현재 연료를 대체 할 수 있다는 것이 기술적으로 입증되고 있으며 현재 여러 생산기술 중 두 가지 기본 공정 기술인 (1) 천연 가스 개질 및 (2) 물의 전기 분해가 안정적으로 널리 사용되고 있다. 현재 글로벌 수소 생산량은 천연 가스에서 48%, 석유에서 30%, 석탄에서 18%, 전기 분해에서 4% 정도이다. 본 소고(小考)에서는 현재 우리 주변에서 어렵잖게 볼 수 있는 수소관련 시설의 안전에 대한 기본 개념을 토론하고자한다.

2. 수소(H2)에너지의 특성
수소는 공기보다 가벼운 가연성 기체로 1766년에 세상에 알려졌으며 그 후 21년이 지난 1787년에 “Hydrogen”이라는 고유의 이름을 부여받았다. 기본적으로 일반 수소 가스는 무색, 무취로 대기 조건에서 인간의 감각으로 어떤 농도로도 감지 할 수 없다. 정상 조건에서 기체상태의 수소는 공기보다 약 14배 정도 가볍기 때문에 누출 시 빠르게 상승하기 때문에 발화 위험을 줄인다. 그렇지만 액체 수소(LH2)는 누설 시는 차갑고 밀도가 높기 때문에 초기에는 바닥에 내려않는 특성이 있다. 물리적 특성으로 수소 원자는 지구상의 모든 물질 중 가장 가벼운 원소로  원자 번호는 1이고 원자량은 1.00797이다. 수소는 우주 및 지구에 가장 많이 존재하는 원자이지만 지구에는 순수 수소(H2)가 아닌 혼합수소(예. H2O.CH4.NH3등)로 존재하며 우리는 혼합물질 속에 존재하며 다른 극저온 유체인 헬륨은 다른 원소와 혼합되기를 싫어한다. 수소도 2종류로 구분하며 평형 상태에 있는 오르토(ortho)수소와 파라(para)수소 이며 우리가 일반적으로 수소라고 부른 것은 그 혼합물로 75%인 오르토수소와 25%인 파라수소를 포함된 경수소를 말한다. 이는 분자 내 개별 원자의 핵스핀의 회전방향으로 구별한다. 같은 방향(병렬)으로 회전하는 분자를 오르토 수소라고하며 반대 방향의 분자는 파라수소라고 한다. 이 두 분자 형태는 물리적 특성이 약간 다르지만 화학적 특성은 동일하다. 기체수소를 액화시키 위해서는 반드시 오르토수소를 파라수소로 변환시키는 공정을 거쳐야한다. 공기보다 약 14배 가볍고 누설속도가 다른 어떤 가스보다 3배정도 빠르게 확산되는 특성이 있기 때문에 누설 시 통제하기가 어렵다.

화학적인 안전 관점에서 볼 때 다른 기존 연료와 비교할 때 수소의 가장 중요한  특성은 다음과 같다.

■ 확산(Diffusion): 수소는 다른 기체 연료보다 훨씬 더 빠르게 공기 중으로 확산 된다. 61cm2/s의 공기 중 확산 계수를 가진 수소의 빠른 분산 속도는 가장 역설적으로 큰 안전 자산이다.  
■ 부력(Buoyancy): 수소는 메탄(표준 상태에서의 밀도 1.32kg/m3), 프로판 (4.23kg/m3) 또는 가솔린 증기(5.82kg/m3)보다 더 빠르게 상승한다.  
■ 색, 냄새, 맛, 독성(Color, odor, taste, and toxicity): 수소는 무색, 무취, 무미, 무독성이다. 메탄과 비슷하다.  
■가연성(Flammability): 수소의 가연성은 농도 수준의 함수이며 메탄이나 다른 연료보다 훨씬 크다. 수소는 낮은 가시성 수준으로 연소된다. 주변 조건에서 공기 중 수소의 난연성 한계는 다음과 같다. 4–75%, 공기 중의 메탄은 4.3–15 vol %, 공기 중의 가솔린은 1.4–7.6 vol %이다.  
■점화 에너지(Ignition energyL): 농도가 인화성 범위에 있을 때, 수소는 화학 양론에서 가솔린 57.32Kcal, 메탄 66.88Kcal에 비해 4.78Kcal의 낮은 점화 에너지로 인해 매우 적은 양의 에너지로 점화 될 수 있다.
■폭파 수준(Detonation level): 수소는 가연성 기체로 밀폐된 공간에서 광범위한 농도에서 폭발 할 수 있다. 그러나, 다른 재래식 연료와 유사하게 공간이 밀폐되어 있지 않으면 폭발하기가 어렵다.  
■ 화염 속도(Flame velocity): 수소는 다른 연료(가솔린 증기 0.42m/s, 메탄 0.38m/s)보다 화염 속도(1.85m/s)가 더 빠르다.  
■ 화염 온도(Flame temperature): 수소-공기 불꽃은 화학 양론적 조건에서 메탄-공기 불꽃보다 뜨겁고 가솔린 보다 100℃ 정도 낮다(메탄의 경우 1,917°C, 가솔린의 경우 2,307°C에 비해 수소는 2,207°C이다). 

3. 수소공급 시스템의 연비 비교
대표적인 수송용 연료전지 시스템인 차량용 수송시스템은 알루미늄 라이너에 탄소섬유로 마감한 원통 실린더 형의 고압용기에 70~100MPa의 기체 수소를 충전하여 연료전지에 공급한다. 수소 차량의 연비는 보통1.1Kg(10ℓ)으로 130Km 주행거리로 계산 할 수 있다. 아래 표는 차량 연료별 연비 비교표이다

4. 수소에너지의  위험성
가)  수소 가스(기체)의 위험성 
수소 가스는 무색, 무취로 대기 환경에서 인간의 감각으로 어떤 농도로도 감지 할 수 없다. 따라서 감지가 불가능하면 잠재적인 위험요소가 많을 것으로도 역설할 수 있다. 부력과 관련하여 수소 가스는 정상 조건에서 공기보다 약 14배 가볍기 때문에 누출이 빠르게 상승하여 주변으로부터 발화요인과 접할 틈새가 적다는 특성도 있다. 그럼에도 불구하고 액체 수소가 유출되면 차갑고 밀도가 높은 연료 증기가 바닥에 내려 앉아 주변의 발화요인과 접 할 수도 있다. 높은 수소 연소 속도가 다른 유체의 연소 속도보다 약 3배정도 빨라 수소 화염을 통제하기는 어렵다. 
나) 액화 수소의 위험성 
액화수소를 취급하거나 보관할 때는 정지 중 기화가스(BOG)을 최소화하기 위하여 단열재 성능과 저장탱크 내 압력관리에 집중되어야 하는 위험부담을 감수해야한다. 따라서 액화수소가 피부 나 눈에 튀기면 동상이나 저 체온 증을 유발할 수 있으며 저장 용기 및 듀어의 통풍구와 밸브는 공기 중 습기로 인해 형성된 얼음 축적에 의해 막힐 수 있다. 일정 이상의 압력은 수소의 제트 방출과 잠재적으로 BLEVE에서 기계적 고장을 일으킬 수 있다. 랭글리 연구 센터의 미국 항공 우주국(NASA)이 실험적으로 보여준 것처럼 액화 수소 저장 누출 용기에서 방출된 직후에 생성된 포화 증기의 고밀도로 인해 안개형태의 수소가 수평 또는 아래에 일정 시간 동안 유지하는 것으로 확인되었다. 

5. 수소, 메탄 및 가솔린의 안전성 비교
수소, 메탄 및 가솔린의 열 물리, 화학적 및 연소 특성은 표 1에서 비교었다. 그중 휘발유는 비등점이 높고 휘발성이 낮으며 가연성 및 폭발 한계가 좁기 때문에 저장하기에 가장 쉽고 안전한 연료이다. 반면에 차량용으로 만들어진 대부분의 수소 저장 시스템은 가솔린 이나 디젤 연료와 같은 액체 연료에 사용되는 것보다 상당히 부피가 크거나 무겁다. 다음에는 수소, 메탄, 가솔린 에 의한 위험과 관련하여 비교하였다.

■ 분자의 크기: 수소 분자가 가장 작기 때문에 메탄과 휘발유가 스며들지 않는 물질을 통해 유출될 것이다.  
■ 연료 누출: 연료 누출이 발생할 경우 화재 위험이 내림차순으로 가장 빠르게 발생할 것으로 예상된다. 수소, 메탄, 가솔린. 화재 지속시간과 관련해서는 휘발유 화재가 가장 오래 지속되고 수소 화재가 가장 짧고 탄화수소 화재는  수소 화재보다 5~10배 더 오랜 시간이 소요된다.  
■ 냄새 제거: 천연가스와 가솔린은 냄새가 나서 누출이 감지될 수 있는 반면 자동차 연료전지용 수소에는 황 함유 물질인 메르캡탄은 연료전지의 촉매를 오염시키기 때문에 첨가하지 않는다.
■ 부력: 표준상태에서 수소는 공기보다 14.5배 가볍고 메탄은 1.8배 가볍고 가솔린 증기는 공기보다 무겁다. 따라서 수소는 훨씬 더 빠르게 상승하여 더 큰 난류 확산을 유발하여 LFL 아래의 농도를 더 빠르게 감소시킨다. 
■ 폭발 에너지: 표 1에 주어진 폭발 에너지 값은 이론적 최대값으로 간주되어야 하며 10%의 항복 계수는 연료-공기 폭발에 대해 합리적이라고 판단된다. 동등한 부피 저장의 경우, 수소는 질량 기준으로 가장 높은 연소열과 폭발 가능성을 갖지만 고려된 세 가지 연료 중 이론적 폭발 가능성이 가장 낮다.
■ 인화성 및 폭발성 한계: 빠른 연소 속도와 결합된 수소의 더 넓은 인화성 및 폭발성 한계는 수소가 메탄이나 가솔린 보다 더 큰 폭발 위험을 초래한다.
■ 점화 에너지: 수소의 점화 에너지는 각각 메탄과 가솔린의 약 1/14 및 1/12 이다. 
■ 인화점: 수소와 메탄은 비정상적으로 높은 자연 발화 온도(각각 585°C 및 540°C)를 갖는 반면, 자연발화 온도 범위가 227°C ~ 477°C인 가솔린은 더 위험 해 보인다.
■ 폭연: 수소-공기 또는 메탄-공기의 제한된 폭연은 8 : 1 미만의 정압 상승 비율을 생성한다. 가솔린-공기의 제한된 폭연에 대한 폭발 압력은 수소-공기의 폭발 압력의 약 70-80%이다.
■ 폭발: 수소-공기 또는 메탄-공기 폭발의 경우 약15:1의 압력 상승 비율과 가솔린-공기 폭발의 경우 약 12:1의 비율이 일반적으로 예상된다. 폭발 피해를 줄이기 위한 방호벽 또는 구조물을 설치가 필요하다.
■ 파편 위험: 폭발 압력에 따라 달라지며 일반 인클로저 (L/D < 30)는 수소-공기 및 메탄 공기의 경우 거의 동일하며 가솔린-공기 혼합물의 경우 다소 덜 심각하다. 
■ 복사열(Radiant heat): 수소 연소 시 생성되는 열을 흡수하는 수증기와 탄소 연소 반응이 없기 때문에 수소 화재에서 발생하는 복사열은 탄화수소 화재보다 훨씬 적으며 2차 화재의 위험을 줄인다. 
■ 유해 연기: 연기 흡입 손상의 잠재성은 내림차순으로 가장 심각한 것으로 판단 된다. 가솔린 > 메탄 > 수소 화재 순이다.   

■ 불꽃 가시성: 눈에 보이는 메탄이나 가솔린 화염과 달리 수소는 대낮에 거의 보이지 않는 불꽃과 함께 타오르지만 공기 중의 오염물질 혼합으로 일반적으로 어느 정도 가시성을 나타낸다.   
■ 화재진압: 보통, 수소와 메탄 화재는 가스 흐름이 멈출 때까지 또는 이러한 화재의 진화에 따른 잠재적 폭발 위험 때문에 액체 유출이 소비 될 때까지 타도록 허용되어야 한다. 메탄과 가솔린 화재를 진화시키기 위해 건조  화학 물질과 고 확산 폼(high-expansion foams)를 사용할 수 있다.
 
6.결론
수소는 미래의 에너지를 대표할 매력적인 대체 에너지로 무한한 잠재력이 있다. 수소에너지를 사용하기 위하여 생산, 배송, 저장 및 최종 사용을 포함한 여러 산업 부문의 기술개발이 활발하다. 수소 경제 창출의 기본은 실행 가능하고 안전하며 저렴한 수소 에너지 시스템이다. 수소의 에너지 최종 사용 응용 분야에는 고정식, 운송 및 휴대용 장치가 포함된다. 수소는 천연 가스, 석탄, 바이오매스, 폐기물, 태양열, 풍력 또는 원자력을 포함한 다양한 공급 원료에서 생산 될 수 있다. 
순수수소 사용으로 인한 환경문제는 발생하지 않은 청정에너지이나 그 수소를 생산하는 공정에서 약 14배의 이산화탄소가 배출된다. 우리주변에 가장 많이 활용하고 있는 천연가스 스팀개질(SMR)을 예를 들면 수소1Kg을 생산하는데 약13.7Kg의 이산화탄소가 배출되는 것으로 보고되고 있다.  역설적으로 이산화탄소 1톤을 처리하는 비용은 약 미화 20달러 정도이다. 따라서 수십 년 동안 화석 연료에서 파생된 수소는 관련 이산화탄소를 분리하고 격리하는 데 드는 비용을 고려하더라도 재생 가능 자원에서 얻은 수소보다 저렴할 것이라는 결론이 나온다. 
특성의 차이로 인해 수소와 관련된 위험은 기존 연료와 다르다. 수소는 무색, 무취, 무미, 무독성 가스로 가솔린에 비해 수소는 인화성, 폭발성, 부력 및 확산성이 더 높은 에너지다. 이런 고 위험군의 에너지를 우리 일상생활에 접목시키기 위해서는 우리가 수를 이해하고 안전의식이 확고히 우리주변에 자리 잡을 수 있는 정부정책도 시급히 추진되어야 할 것이다.