산업화의 고도화에 따른 화석연료의 소비 증가로 인해 현대인은 보다 풍요로운 삶을 영위하고 있다. 그러나 화석연료의 대부분은 지역적으로 중동지역에 편중되어 있으며, 매장량이 한정되어서 고갈의 문제점을 가지고 있다. 세계에너지위원회는 향후 50년내에 화석연료가 고갈될 것이라고 전망하였다. 또한, 화석연료는 연소할 때 CO₂, NOx, SOx 등 대기오염물질을 배출하기 때문에 지구온난화 등 환경오염을 유발하는 문제점이 있다. 이와 같은 화석연료의 고갈 및 환경오염 문제에 대한 대책으로 최근 대체에너지에 대한 관심이 고조되고 있다.
수소에너지는 중량기준 에너지양이 화석연료의 3배이며, 무한으로 존재하여 지역적 편중이 없고, 연소할 때 온실가스를 배출하지 않아서 화석연료에 비해 환경오염이 적은 장점을 가진 ‘clean energy’로 각광받는 차세대 에너지원이다.
수소에너지는 연료, 수소자동차, 연료전지 등 거의 모든 산업용 에너지 시스템 분야에 이용될 수 있다. 수소경제사회를 구축하기 위하여 전 세계적으로 수소 연료전지 자동차에 대한 관심이 증대되면서, 이를 위한 인프라 구축에 많은 투자와 지원을 하고 있다. 그 대표적인 인프라가 수소 충전 스테이션의 구축이다. 수소에너지 시장은 증가하는 추세이며, 2020년에는 1,400억 달러 이상의 시장이 형성될 것으로 추정되고 있다. 또한 2040년에는 수소 연료전지 차량의 점유율이 90%일 것으로 추정되고 있다.
현재 국내 수소에너지 시장은 선진국에 비해 기반이 취약한 상황이다. 비용 등의 경제성의 문제로 인해 에너지원이 아닌 자체 석유화학 공정용 또는 화학공업의 원료로 사용되고 있으나, ‘제3차 환경친화적자동차 개발 및 보급 기본계획’(‘15.12.8)에 따르면, 정부는 수소자동차의 가격 저감과 해외종속 방지를 위한 핵심부품 기술개발과, 민간 이용 확대를 위한 수소버스 등 모델 다양화, 수소자동차 중점 보급도시 선정, 수소스테이션 확충, 건설비용 저감 및 안전관리 기술개발 등을 통해 2020년까지 수소자동차 9,000대, 수소스테이션 80기 보급에 주력할 계획임을 밝혔다. 수소스테이션 인프라는 대기질 개선효과가 큰 대도시에서 일정 지점을 반복 운행하는 시내버스를 중심으로 우선적으로 시행될 가능성이 크다.
그러나 수소는 다른 탄화수소 연료에 비하여 단위 질량당 에너지 밀도와 발열량이 높은 반면, 공기와 혼합되었을 경우에는 화재·폭발을 동반하며, 기체 중 가장 큰 열전도율을 갖고 있고, 폭발범위가 넓고 확산이 빠른 가연성 가스로서 점화에너지가 작아서 점화가 쉽게 일어난다. 또한, 수소는 금속을 녹이는 특성이 있기 때문에 금속이 수소에 노출되면 수소 취성, 균열 및 폭발의 위험성을 갖을 수 있다. 더욱이 액화수소는 극저온을 유지해야 하기 때문에 우수한 단열 용기를 필요로 하지만, 현재로서는 완벽한 단열 기술에는 한계가 있는 실정이다. 자연대류에 의하여 용기 내부에서 3~6%/day 정도의 기화손실이 발생하여 내압상승으로 인한 폭발을 일으킬 수 있으므로 수소 사용 시 안전성에 대한 주의가 필요하다.
특히 수소스테이션이 위치하게 될 도심지역은 밀집도가 높기 때문에 고압의 압축가스를 다루는 위험시설인 수소스테이션에서 사고 발생 시 인근지역의 인적, 물적 피해가 상당히 클 것이다. 그러므로 수소스테이션의 피해영향범위 산정을 통한 안전거리를 확보하여야 한다.
본 연구에서는 인천 소재의 가상의 수소스테이션(총 부지 면적 1,056.25㎡)에 설치되어 있는 소규모~대규모(100kg ~ 2500kg)의 액화수소 저장탱크를 대상으로, 저장탱크의 파손으로 인한 누출을 시나리오로 선정하여 화재폭발로 인한 복사열과 폭발압의 피해 영향 범위를 분석하였다. KOSHA GUIDE의 「최악의 누출 시나리오 선정에 관한 기술지침」과 「사고피해예측 기법에 관한 기술지침」에 근거하여 최악의 사고시나리오를 적용하였으며, ‘최악의 사고시나리오‘는 유해화학물질을 최대량 보유한 저장용기 또는 배관 등에서 화재 폭발 및 유출·누출되어 사람 및 환경에 미치는 영향범위가 최대인 경우의 사고시나리오를 말한다. 기상조건은 기상청의 기상데이터를 활용하여 인천 여름 평균 기상(풍속 2.07m/s, 대기온도 25.77℃ 및 습도 67.1%)을 적용하였다.
또한, 프로빗 분석을 통해 인체 및 구조물에 미치는 영향을 도출하여 액화수소를 취급하는 수소스테이션으로부터의 안전거리를 산정하였다. 프로빗 분석 결과, 주변 주요설비, 점화원 및 사무실과의 최소 안전거리는 10m 이상으로 설정해야 하는 것으로 나타났다.
안전성확보방안으로 액화수소의 특성상 발생하는 증기를 배출 또는 비상시 배출을 위한 벤트스택의 최적높이를 설정하였다. 피해영향평가 산정 결과, 소규모 400kg 취급 시 200m, 중규모 1,500kg 취급시 350m 그리고, 대규모 2,500kg 취급시 400m의 안전거리를 유지하여야 하는 것으로 나타났다. 그러나, 밀집도가 높은 도심지역에서는 이와 같은 안전거리를 유지하기 어렵기 때문에 주요시설과 사업소경계 사이에 방호벽을 설치하여 거리를 완화할 수 있는 조치를 취해야 한다. 본 연구는 수소 충전스테이션 구축을 위한 기초자료로서 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.