1. 서 론
세계적인 기후위기로 인해 기업이 필요한 전력을 2050년까지 모두 재생에너지 전력으로 구매하거나 자가생산으로 조달하는 renewable energy (RE) 100이라는 캠페인이 추진되고 있으며, 탄소가스 배출의 많은 부분을 차지하는 수송분야에도 친환경에너지의 사용이 증가하고 있다. 하이브리드, 전기, 그리고 수소자동차와 같은 친환경차는 2014년도에 국내 등록비중이 0.7%에서 2023년 6월에는 7.2%로 증가하여 현재는 등록대수가 180만대를 넘었다(1).
수소자동차로 인한 사고는 아직까지 국내에서 발생하지 않았지만 수소운송설비의 화재사고가 2021년에 고속도로에서 발생한 사례가 있었다. 수소충전소에 공급하기 위해 200 bar로 압축된 수소를 튜브트레일러로 운반하던 중 타이어 부위의 과열로 시작된 화재로 수소저장탱크가 화염에 휩싸이게 되었고, 폭발을 방지하기 위해 설치된 온도감응형 압력배출장치(thermally activated pressure relief device, TPRD)가 동작하여 약 3 min간 상부 방향으로 약 27 m 길이의 제트화염이 발생했다. 안전장치인 TPRD의 작동으로 인해 용기의 폭발이나 연쇄적인 사고로 이어지지는 않았지만, 제트화염은 안전장치의 작동으로 인해 갑작스럽게 발생할 수 있음을 목격할 수 있었다.
수소자동차에서 발생할 수 있는 사고는 일반적인 내연기관 자동차와 동일한 추돌사고 외에도 연료로 사용하는 수소가스의 누출, 고압으로 누출된 가스가 점화되어 발생하는 제트화염, 누출된 가스의 증기운에 의한 폭발, 그리고 수소저장용기의 폭발이 있을 수 있다. 수소가스는 증기비중이 매우 낮아 누출되는 즉시 대기중으로 확산되는 특징이 있지만 연소범위가 넓고 연소하한계가 낮을 뿐만 아니라 점화에너지가 약 0.017 mJ로 메테인가스나 가솔린보다 현저히 낮아(2,3) 쉽게 점화될 수 있다. 누출사고와 관련해서는 주택과 같은 밀폐공간에 설치된 연료전지실에서의 환기에 대한 연구(4), 도로터널 내에서 누출되는 경우 증기운이 형성되는 시간과 영역에 대한 연구(5) 등이 수행되었다. 또한 고온고압의 수소 제트화염으로 인해 구조체에 직접적으로 미치는 영향에 대해 분석하는 연구와(6), 수소자동차의 수소저장용기가 폭발했을 때의 압력과 위험성에 대해 분석한 연구도 수행된 바 있다(7).
소방청에서 발간한 재난현장 표준작전절차 중 사고유형별 표준작전절차에는 친환경차량 사고 대응절차(SOP 308)가 명시되어 있다(8). 하이브리드, 플러그인하이브리드, 전기자동차 및 수소전기자동차의 사고에 대응하는 절차에 따르면 차량식별, 고정, 불능 및 구조의 단계로 대응하도록 안내하고 있으며 최근에 발생빈도가 증가하는 전기자동차 사고의 대응에 초점이 맞춰져 있다.
국내에서는 수소의 제조와 저장에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 최근에는 수소자동차와 수소충전소의 안전과 관련된 연구들이 증가하고 있다(9). 수소안전과 관련한 연구들은 대부분 수소충전소의 안전거리(10,11), 안전설비(12), 위험성평가(13) 등의 주제를 다루고 있으며, 수소사고에 안전하고 효과적으로 대응하는 것에 대한 연구들도 최근에 일부 수행되고 있지만(10,14,15) 다른 연구주제들에 비해 충분하지 않아 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 수소자동차 사고 시 이를 수습하기 위한 구조활동에서 갑작스럽게 발생하는 제트화염의 영향범위를 분석하여, 초기대응자와 구조대상자의 방호조치의 필요성에 대해 조사하고자 한다. 이를 위해 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 수소자동차의 수소저장탱크에서 TPRD의 작동으로 인해 발생할 수 있는 제트화염을 수치해석적 분석을 통해 초기대응자의 활동구역에서의 위험성과 방화복의 유효성에 대해 조사했다.
2. 수소자동차 제트화염 모델
수소자동차는 한국과 일본에서 많이 생산하고 있으며, 최근에는 독일, 미국 등에서 신규모델을 출시하고 있다. 상용화된 수소자동차 중 국내에서 가장 높은 시장점유율을 차지하고 있는 수소자동차는 Figure 1에 나타낸 바와 같이 52.2 L 용량의 Type Ⅳ용기 3개가 차량하부에 장착되어 있다. 자동차의 뒷좌석 짐칸 하단에서부터 3개가 나란히 설치되어 있으며 Figure 1에 표시된 1번과 2번, 2번과 3번 수소저장탱크 사이의 거리는 각각 675 mm, 420 mm 이다. 각 수소저장용기에는 차량의 좌측 운전석 방향에 110 ± 5 ℃에서 작동하는 TPRD가 장착되어 있고 배출구는 바닥면을 향해 설치되어 있다(16).
고압의 저장용기에서 수소가스가 누출되는 경우 수소가스는 음속을 지나 아음속으로 속도가 줄어드는 형태로 충격파를 동반하는 임계유동이 발생된다(17). 충격파를 포함한 이런 해석은 계산량이 많을 뿐만 아니라 수렴성이 어려운 단점이 있어 수소 가스의 고압누출이나 제트화염 해석에 관한 선행연구들에서는 pseudo-diameter 접근법이 사용되고 있다(18-20). 본 연구에서도 pseudo-diameter를 이용해 질량, 운동량 및 에너지 보존방정식을 사용하여 해석했다.
누출되는 수소가스를 이상기체로 가정하고 Figure 2에 나타낸 바와 같이 탱크내부, 누출구, 그리고 대기로 누출된 후의 지점을 각각 State 0, 1, 2로 정의했을 때, 각 위치에서의 물성치를 이용하여 pseudo-diameter (dps)를 계산하여 해석에 적용했다. 그림에서 p 는 압력, T는 온도, v는 속도, ρ는 밀도를 나타낸다.
누출구 지점(State 1)에서 질량 유량은 동일하고, 수소가스가 대기로 누출된 후(State 2)의 온도와 압력이 동일하다고 가정하면 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서 A1 는 누출구 면적, A2 는 pseudo-diameter를 적용해 계산된 면적, Cd 는 누출계수, ρ와 v는 각 state에서의 밀도와 속도를 나타낸다.
수소탱크 내부(State 0)에서 누출구지점(State 1) 사이가 등엔트로피 조건으로 가정하면 누출구지점(State 1)에서의 밀도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, MW H2 는 기체의 몰질량, R H2 는 수소가스의 기체상수를 나타낸다.
누출구지점(State 1)과 누출된 후 대기(State 2)에서의 속도와 밀도는 다음과 같다.
식(1)에서 (5)를 정리하여 다음의 pseudo-diameter (dps)를 구할 수 있다.
국내에서 사용되고 있는 수소자동차에 설치된 수소저장용기는 Table 1에서 보듯이 52.2 L의 크기에 최고충전압력은 70 MPa이고 TPRD의 배출구 크기는 직경 1.8 mm 이다. 이를 토대로 20 ℃에서 TPRD가 작동될 때 시간에 따라 감소되는 압력과 누출되는 유량은 HyRAM을 활용하여 계산했다(21). Figure 3에서 보듯이 누출되는 순간 가장 높은 유량을 보였으며, 시간이 지남에 따라 누출되는 유량은 점차 감소하여 10 s 경과 후에는 초기 대비 절반이상으로 감소했다. 누출이 시작되면서부터 배출되는 수소가스의 압력과 유량이 급격히 감소하기 때문에 본 연구에서는 시간에 따른 과도해석(transient analysis)을 위해 계산 초기 영역은 유동이 존재하지 않고 산소와 질소의 체적분율을 각각 21%, 79%로 설정하고 0.01 s의 step size로 총 10 s까지 해석했다. 수소저장탱크를 기준으로 전면, 좌측면 및 우측면 방향으로 20 m, 후면으로 30 m, 바닥으로부터 10 m 크기의 직육면체 형상의 공간을 해석영역으로 정의했다. TPRD의 배출구는 차량의 응급상황가이드의 내용을 토대로 바닥을 향해 수직으로 설정하였으며(16), 작동 후 1 s에서의 열분포를 나타냈으며 이때의 질량유량은 약 0.094 kg/s였다.
3. 수소자동차 제트화염 위험영역 분석
수소자동차에 설치된 3개의 수소저장용기 중 가장 뒤쪽 탱크에 설치된 TPRD가 작동한 직후에(Figure 1에서 Tank 1) 발생하는 제트화염으로 인한 차량 주변의 열유속 분포를 Figure 4에 나타냈다; 복사열량의 한계치에 대한 선행연구에 따르면 9.5 kW/m2 이상에 20 s간 노출되면 피부에 2도 화상이 발생하며, 기계설비나 건축구조물과 같은 장치물은 37.5 kW/m2 이상에 노출되면 비가역적인 손상이 발생하는 것으로 나타나 있다(3,23). national fire protection association (NFPA)의 LNG관련 규격인 NFPA 59A(24)와 american petroleum institute standard (API)의 API 521(25)에는 열복사량에 따른 토지이용계획과 인적 피해에 대한 기준을 명시하고 있는데, 5 kW/m2 이상부터 피해가 발생하며, 30 kW/m2를 재산상의 치명적인 피해가 발생하는 한계값으로 정의하고 있다. 본 연구에서는 피해가 유발될 수 있는 최저값을 9.5 kW/m2로, 잠깐의 노출로도 치명적인 피해를 유발하는 37.5 kW/m2를 사용하여 분석했다.
TPRD에서 차량하부로 방출된 제트화염은 바닥면과 부딪친 후에 차량의 앞, 뒤, 좌, 우 모든 방향으로 37.5 kW/m2 이상의 열유속을 형성했고 그 영역 밖에서도 피해를 유발할 수 있는 9.5 kW/m2 이상의 영역이 발생했다. 보호조치가 없는 경우 2도 화상을 유발할 수 있는 9.5 kW/m2 이상의 열유속이 발생하는 범위는 Figure 4(a)에서와 같이 차량의 전면부로부터 1.62 m, 후면으로부터 4.36 m 이며 바닥면에서부터의 높이는 약 4 m 정도이다. Figure 4(b)는 차량 뒷면에서 바라볼 때의 열유속 분포를 나타낸 것으로 TPRD가 설치된 방향인 운전석 부분은 차량 옆면에서 4.51 m까지 9.5 kW/m2의 열유속이 형성되었고 조수석 부분은 차량 우측면에서부터 3.63 m까지 형성되었다. 37.5 kW/m2 이상의 열유속이 형성되는 영역은 차량의 외측면을 기준으로 뒤쪽과 운전석 방향으로 각각 3.03 m, 1.93 m 였다. 차량의 바닥면에 상대적으로 높은 열유속이 형성되었으며, 상부쪽으로 갈수록 그 값이 낮아지는 추세를 보였다.
일반적인 사고 대응에서는 구조대상자의 신속한 구조 뿐만 아니라 초기대응자가 활동하는 현장의 안전을 확보하는 것 또한 중요하다. 수소자동차 사고 시에는 화재 혹은 2차적인 사고로 인해 수소저장용기에 설치된 TPRD가 작동할 수 있으며, 이로 인해 고압의 수소가스가 노즐을 통해 빠르게 배출될 수 있다. 수소가스는 연소하한계가 낮고 연소범위가 넓을 뿐만 아니라 점화에너지도 낮기 때문에 배출된 수소가스는 쉽게 점화될 수 있고, 이런 경우 Figure 4에서와 같이 제트화염이 발생하여 차량 인근에 높은 열유속을 형성하게 된다.
운행하는 자동차에는 최소한 운전자가 탑승하고 있기 때문에 초기대응자가 운전석 인근에서 구조활동을 한다고 가정했을 때, Figure 5에 표시한 바와 같이 가장 뒷부분에 설치된 수소저장용기(Tank 1)를 기준으로 차량 외곽에서 0.5 m 떨어진 곳을 Point 1로 설정하고 0.5 m 간격으로 Point 5까지의 위치에서 발생하는 열유속을 계산했다.
TPRD가 작동되는 순간부터 누출유량이 절반으로 감소하는 10 s까지 운전석 인근에는 제트화염으로 인해 35.9∼83.3 kW/m2의 열유속이 형성되었다. TPRD의 방출구는 바닥면에 수직으로 향해있기 때문에 높은 압력으로 배출되는 수소가스는 바닥면에 부딪친 후 운동력이 감소되었다. Figure 6에서와 같이 Point 1에서는 일정한 열유속을 보였으며, Point 2는 타이어에 가려져 초기에 낮은 값을 보였다. 제트화염이 발생한 직후에는 TPRD인근에서 상대적으로 높은 값을 보였으나 시간이 경과함에 따라 운전석 쪽의 열유속이 상승하는 추세를 보였다.
4. 고 찰
수소자동차의 가장 후면에 설치된 수소저장용기에서 제트화염 발생할 때 인체에 피해를 유발할 수 있는 열유속이 형성되는 영역은 Figure 4에서와 같이 차량의 뒤쪽과 운전석쪽으로 약 5 m 정도이다. 바닥면에서 상부 방향으로도 약 4 m 이상 9.5 kW/m2 이상의 열유속이 형성된다. 치명적인 피해가 발생할 수 있는 37.5 kW/m2 이상의 열유속 영역은 차량 전면부 보다는 차량의 후면부에 더 크게 형성되었고, 선행연구에서는 이런 제트화염의 발생영역을 분석하여 초기대응자의 안전한 접근을 위해서는 차량의 전면 대각선 방향으로 접근하는 것이 타당함을 보인 바 있다(26). TPRD 작동 초기에 제트화염이 가장 넓게 형성되었고, 시간이 경과함에 따라 그 범위는 점차 축소되기 때문에(22), Figure 6에 나타난 열유속은 수소자동차 인근에서 발생할 수 있는 보수적인 값으로 판단된다. 초기대응자의 구조활동은 사고차량에 근접해서 수행되며, 운전석 인근에서의 열유속은 최대 83.3 kW/m2까지 형성되는 것으로 분석되었다.
국내에서는 각종 재난현장에서 신체를 보호하기 위해 착용하는 상의⋅하의로 구성된 개인안전장비를 방화복으로 정의하고 있으며 한국소방산업기술원의 KFI 인정기준을 만족하는 제품을 사용하고 있다(27,28). 초기대응자가 착용하는 방화복의 열보호성능 시험은 84 kW/m2의 열유속 조건에서 2도 화상이 발생될 때까지의 시간을 곱해서 표현하는 열방호성능값을 만족하는지를 확인하는 것으로 열에 대한 피부조직이 견디는 한계를 표시하는 데이터로부터 만들어진 스톨 곡선(stoll curve)에 근거하여 계산한다. Jin 등(29)은 방화복의 겉감과 안감의 조합을 변화시켜가며 열방호성능을 실험했는데, ISO기준을 만족한 경우 2도 화상에 이르는 시간은 최소 11 s에서 최대 26 s로 측정되었다. 하지만 15 s 이상의 높은 열방호성능을 가지는 경우 사용자의 내열응력(anti-heat stress) 기준을 충족하지 못했다.
수소자동차의 사고 시나리오 분석 연구에 따르면 ‘수소자동차와 내연기관 차량의 교통사로로 인해 발생된 화재에서 수소자동차의 TPRD 고장으로 수소저장용기가 폭발하는 사고 시나리오’가 가장 중요도가 높게 나타났다(30). 이는 최악의 상황을 가정한 것으로 실제적으로는 주변온도 상승 시 TPRD가 작동하여 내부의 수소가스를 배출하게 된다. 이런 안전장치로 인해 큰 피해를 유발하는 폭발사고를 예방할 수 있지만, 이와 동시에 사고 초기의 구조작업 중에 초기대응자와 구조대상자는 갑작스런 제트화염에 노출될 위험성이 있다. 일반적인 화재현장에서는 80 kW/m2 이상의 위험환경에서는 즉시 현장을 벗어나겠지만 차량 인근에서 구조작업을 수행하는 경우에는 즉각적인 대피가 곤란할 수도 있다.
수소자동차에 설치된 3개의 수소저장용기 중 1개에서 TPRD가 작동하게 되면 Figure 6에서와 같이 약 80 kW/m2의 열유속이 발생할 수 있다. 최악의 상황으로 3개의 수소저장용기에서 순차적으로 제트화염이 생성되면 15 s 이상 높은 열유속에 노출되어 방화복의 열방호성능을 초과하고 이를 착용한 초기대응자도 부상을 입을 수 있다. 특히 보호장비를 착용하지 않은 구조대상자가 제트화염에 노출되는 경우 매우 위험한 상황이 발생할 수 있다. 따라서 수소자동차 사고 대응 시에는 수소저장용기의 TPRD가 작동되어 내부의 가스가 모두 배출된 상태인지를 우선적으로 확인해야 하며, TPRD가 작동하지 않은 경우에는 갑작스럽게 발생할 수 있는 제트화염을 고려해야 한다. 이 때 초기대응자의 하반신에는 높은 열유속으로부터 열전달을 차단할 수 있는 추가적인 방호조치가 필요하며, 구조대상자의 이송 시에도 차량의 하부로부터 발생하는 열유속을 방호할 수 있는 조치가 필요하다.
5. 결 론
기후위기로 인한 친환경에너지 사용의 필요성이 증가하면서 국내에서도 2014년 0.7%를 차지했던 친환경자동차의 등록율이 2023년에는 7.2%로 증가했다. 그 중 수소자동차는 등록대수는 작지만 그 증가폭은 가장 큰 편이다. 수소저장용기는 폭발로 인한 대규모 사고를 방지하기 위해 TPRD가 설치되어 있으나 이 안전장치가 작동하는 경우 제트화염이 형성될 위험성이 존재한다. 본 연구에서는 수소저장용기에서 TPRD가 작동하여 제트화염이 생성될 때 차량 주변에 생성되는 열유속을 수치해석을 통해 분석했다. 70 MPa로 가압된 수소저장용기에서 방출된 수소가스는 차량 바닥면과 부딪친 뒤 차량 주변으로 약 5 m 정도의 위험영역을 형성했다. 차량 사고 시 구조활동을 하는 운전석 부분에는 최대 83 kW/m2의 열유속이 관찰되었으며, 이는 국내 방화복의 열방호성능 시험기준과 유사한 값이다. 구조활동 시 갑작스럽게 발생하는 제트화염은 구조대상자 뿐만 아니라 방화복을 착용한 초기대응자에게도 위험할 것으로 분석되기 때문에 수소자동차 사고 대응 시에는 수소저장용기에 부착된 TPRD의 작동유무를 확인할 필요가 있으며, 사고 대응 시에는 제트화염의 직접적인 열전달을 차단하는 성능을 가진 단열재나 구조물 등의 추가적인 방호조치를 갖춰야 한다. 이런 연구결과는 수소자동차의 안전한 사고대응전략에 활용될 수 있으며, 향후 이런 위험성을 고려한 방호장치들도 필요할 것으로 판단된다.
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