[논문]수소-LPG 복합충전소 정량적 위험성평가에 관한 연구

강승규

doi:10.5855/energy.2019.28.4.029

초록
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본 연구에서는 수소 복합충전소에 대하여 정량적 위험성 평가를 실시하였다. 평가대상의 복합충전소는 수소-LPG이며 각 충전소의 설비 구성을 분석하고 위험도를 평가하였다. 최종 위험도는 피해영향과 사고빈도를 고려한 개인적 위험성과 사회적 위험성으로 평가한다. 본 연구의 대상이 된 수소-LPG 충전소에 대한 개인적 위험도 산출 결과, 수소-LPG 형태의 복합충전소는 HSE에서 제안하고 있는 허용 불가수준의 위험지역(> 1×10E-3)은 나타나고 있지 않으며, 작업자와 일반인에 대한 개인적 위험수준이 모두 허용범위 내에 분포하고 있다. 그리고 사회적 위험도 평가에서는 해석대상 모델이 허용 가능한 범위(ALARP, As Low As Reasonably Practicable)의 위험도 분포를 보이고 있다. 보다 향상된 안전성 확보를 위해 위험도 순위화 결과에서 높은 위험도를 보이고 있는 수소 저장용기, 디스펜서, 튜브트레일러 누출 및 LPG의 Vapour 회수 라인 등에 대한 정기적인 점검 및 확인을 권장한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a quantitative risk assessment was carried out for a hydrogen complex station. The complex fueling station to be evaluated was hydrogen-LPG, and the components of each station were analyzed and the risk was evaluated. The final risk is assessed by individual and societal risks, taking...

In this study, a quantitative risk assessment was carried out for a hydrogen complex station. The complex fueling station to be evaluated was hydrogen-LPG, and the components of each station were analyzed and the risk was evaluated. The final risk is assessed by individual and societal risks, taking into account the impact of damage and the frequency of accidents. As a result of individual risk calculation for the hydrogen-LPG fueling station that is the subject of this study, the hydrogen-LPG type fueling station does not show the unacceptable hazardous area (> 1 × 10E-3) proposed by HSE. The level of individual risk for both the public and the worker is within acceptable limits. In societal risk assessment, the model to be interpreted shows the distribution of risks in an acceptable range(ALARP, As Low As Reasonably Practicable). To ensure improved safety, we recommend regular inspections and checks for high-risk hydrogen reservoirs, dispensers, tube trailer leaks, and LPG vapor recovery lines.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. Components of LPG-Hydrogen combined refueling station
표 Table 2. Leak scenarios and frequencies of hydrogen refueling station facilities
표 Table 3. Leak scenarios and frequencies of LPG refueling station facilities
표 Table 4. Weather conditions
표 Table 5. Population conditions
그림 Fig. 1. Individual Risk Contours of LPG-Hydrogen combined refueling station
그림 Fig. 2. Societal Risk Assessment(F-N Curve) of Major Disasters in LPG-Hydrogen combined refueling station
표 Table 6. Risk ranking by risk integral percent

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구대상의 복합충전소는 개인적, 사회적 위험도 평가에서 충분히 허용가능한 수준의 위험도가 측정되었다. 그러나 위험시설이 복합된 시설의 안전성 향상을 위해 어떤 요소들이 복합충전소의 위험도에 크게 영향을 미치고 있는지 파악하기 위해 대상 시설의 구성요소별 시나리오에 대한 위험도 순위를 통해 분석하고자 한다. Table 6은 본 LPG-수소 복합충전소의 위험도 순위를 나타내고 있다.
본 연구는 국내에서 수소충전소의 보급 확대를 위해 추진되고 있는 수소 융 · 복합충전소 모델 중 LPG충전소를 활용한 LPG-수소 복합충전소에 대하여 정량적 위험성 평가를 수행하였다.
위험성평가를 통해 수소-LPG 융 · 복합충전소의 위험요인을 분석하고 정량적인 위험성을 측정하여 위험을 감소시키고 안전성을 향상할 수 있는 방안을 모색하고자 한다.

제안 방법

Table 4, 5에서 정량적 위험성평가를 위한 기상 및 인구 조건을 나타내었다. 기상조건에서는 4계절이 있는 우리나라의 환경을 고려하여 그 중에서 최악의 조건(Worst Case)으로 볼 수 있는 여름과 겨울의 밤과 낮 조건을 구분하여 사용하였다. 인구분포는 수소 복합충전소의 위치를 기반으로 하여 밤과 낮의 충전소 작업자 및 도로상황을 고려하여 인원을 배치하였다.
대상 시설에 대한 설비 구성요소를 파악하고, 각각의 설비에서 발생할 수 있는 사고시나리오를 정의하였다. 또한 해외의 신뢰성 있는 빈도데이터를 수집하여 위험성평가에 활용하였다. 본 연구의 대상이 된 LPG-수소 복합충전소에 대한 정량적 위험성평가 결과는 개인적 위험도 및 사회적 위험도 모두 허용 가능한 수준의 위험도가 확인되었다.
본 연구는 수소와 LPG가 복합된 충전소에 대한 정량적 위험성 평가를 수행하였다.

대상 데이터

수소충전소의 설비별 운전조건과 누출시나리오 그리고 이에 따른 누출빈도데이터를 Table 2에 나타내었다. LPG 충전소 시설에 대한 사고시나리오와 누출빈도데이터는 기존의 연구자에 의해 제시된 데이터를 사용하였고 이를 Table 3에 나타내었다[5].
본 연구는 현재 국내에서 운영 중인 수소-LPG 융 · 복합충전소를 대상으로 하였다.
현재 국내 충전소에 대한 사고 빈도데이터가 미구축 상태이므로 해외의 검증된 데이터를 사용하였다. 수소충전시설에 대하여는 미국의 Sandia 국립연구소에서 제시한 설비별 누출 크기에 따른 누출빈도 데이터를 적용하였다[3]. Sandia 연구소에서도 수소충전소에 대한 데이터가 충분하지 않기 때문에 기존의 석유화학시설에서 사용되는 사고빈도데이터 및 산재된 수소설비관련 빈도데이터를 이용하여 Bayesian 통계처리 기법을 사용하여 빈도데이터를 수정하였다.
많은 국가가 사회적 위험성 기준이나 가이드라인을 제시하고 있으나 국내에는 아직 충전소에 대한 위험성 기준을 가지고 있지 않아 본 연구에서는 가장 일반적으로 사용되는 영국 HSE 가이드라인을 기반으로 하였다. 해석대상 모델인 수소-LPG 복합충전소의 F-N곡선을 Fig.2에 나타내었다. 야간보다는 주간의 위험성이 크게 나타나고 있다.
위험(Risk)는 사고에 의한 피해영향(Consequency)과 발생빈도(Frequency)의 곱으로 정의되기 때문에 어떤 발생빈도 데이터를 사용하느냐에 크게 영향을 받는다. 현재 국내 충전소에 대한 사고 빈도데이터가 미구축 상태이므로 해외의 검증된 데이터를 사용하였다. 수소충전시설에 대하여는 미국의 Sandia 국립연구소에서 제시한 설비별 누출 크기에 따른 누출빈도 데이터를 적용하였다[3].

데이터처리

수소충전시설에 대하여는 미국의 Sandia 국립연구소에서 제시한 설비별 누출 크기에 따른 누출빈도 데이터를 적용하였다[3]. Sandia 연구소에서도 수소충전소에 대한 데이터가 충분하지 않기 때문에 기존의 석유화학시설에서 사용되는 사고빈도데이터 및 산재된 수소설비관련 빈도데이터를 이용하여 Bayesian 통계처리 기법을 사용하여 빈도데이터를 수정하였다. 수소충전소에서 발생할 수 있는 최악의 상황인 저장용기의 파열(catastrophic rupture)에 대한 사고 빈도는 영국 HSE의 보고서를 인용하였다[4].

이론/모형

이것은 예상되는 사고의 빈도(F)와 사고결과에 따라 발생되는 예상 사망자 수(N) 사이의 관계로서 F-N (Frequency-Number of fatality) 곡선을 사용하여 나타낸다. 많은 국가가 사회적 위험성 기준이나 가이드라인을 제시하고 있으나 국내에는 아직 충전소에 대한 위험성 기준을 가지고 있지 않아 본 연구에서는 가장 일반적으로 사용되는 영국 HSE 가이드라인을 기반으로 하였다. 해석대상 모델인 수소-LPG 복합충전소의 F-N곡선을 Fig.
Sandia 연구소에서도 수소충전소에 대한 데이터가 충분하지 않기 때문에 기존의 석유화학시설에서 사용되는 사고빈도데이터 및 산재된 수소설비관련 빈도데이터를 이용하여 Bayesian 통계처리 기법을 사용하여 빈도데이터를 수정하였다. 수소충전소에서 발생할 수 있는 최악의 상황인 저장용기의 파열(catastrophic rupture)에 대한 사고 빈도는 영국 HSE의 보고서를 인용하였다[4]. 수소충전소의 설비별 운전조건과 누출시나리오 그리고 이에 따른 누출빈도데이터를 Table 2에 나타내었다.

성능/효과

본 연구대상의 복합충전소는 개인적, 사회적 위험도 평가에서 충분히 허용가능한 수준의 위험도가 측정되었다. 그러나 위험시설이 복합된 시설의 안전성 향상을 위해 어떤 요소들이 복합충전소의 위험도에 크게 영향을 미치고 있는지 파악하기 위해 대상 시설의 구성요소별 시나리오에 대한 위험도 순위를 통해 분석하고자 한다.
또한 해외의 신뢰성 있는 빈도데이터를 수집하여 위험성평가에 활용하였다. 본 연구의 대상이 된 LPG-수소 복합충전소에 대한 정량적 위험성평가 결과는 개인적 위험도 및 사회적 위험도 모두 허용 가능한 수준의 위험도가 확인되었다. 보다 향상된 안전성 확보를 위해 위험도 순위화 결과에서 높은 위험도를 보이고 있는 수소 저장용기, 디스펜서, 튜브트레일러 누출 및 LPG의 Vapour 회수 라인 등에 대한 정기적인 점검 및 확인을 권장한다.
사회적 위험도 결과는 주간, 야간, 주 · 야간 조합의 결과가 모두 허용 가능범위(ALARP, As Low As Reasonably Practicable)에 분포하는 것을 확인할 수 있다.
고압수소 저장용기, 중압수소 저장용기, 디스펜서, 튜브트레일러에서 대규모 누출(Large Leak)가 발생하는 상황이 전체 위험도에 상당한 영향(12∼32%)을 미치고 있다. 전체 위험도에 1% 이상 영향을 미치는 요소들 중에 대부분이 수소설비이고, LPG 설비는 Vapour 회수 라인에서 소규모 누출이 약 2% 영향을 미치는 것으로 분석된 다. 이와 같은 고 위험도 설비에 대해서는 주기적이고 집중적인 안전관리가 이루어져야 한다.

후속연구

본 연구의 대상이 된 LPG-수소 복합충전소에 대한 정량적 위험성평가 결과는 개인적 위험도 및 사회적 위험도 모두 허용 가능한 수준의 위험도가 확인되었다. 보다 향상된 안전성 확보를 위해 위험도 순위화 결과에서 높은 위험도를 보이고 있는 수소 저장용기, 디스펜서, 튜브트레일러 누출 및 LPG의 Vapour 회수 라인 등에 대한 정기적인 점검 및 확인을 권장한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소전기차의 장점?	전 세계적으로 온실가스 감축을 위해 다양한 해법을 구상하고 있으며, 그중에서 운송부분은 수소연료전지를 이용한 차량개발 및 보급에 박차를 가하고 있다. 수소연료전지를 이용하는 수소전기차(FCEV)는 온실가스를 비롯한 유해물질이 없다는 점에서 환경적으로 매우 유리한 운송수단이다. 따라서 전문가들은 향후 수송부문 차량 보급에 있어 상당부분을 수소전기차가 차지하게 될 것으로 예측하고 있다.
	최종 위험도의 평가기준은?	평가대상의 복합충전소는 수소-LPG이며 각 충전소의 설비 구성을 분석하고 위험도를 평가하였다. 최종 위험도는 피해영향과 사고빈도를 고려한 개인적 위험성과 사회적 위험성으로 평가한다. 본 연구의 대상이 된 수소-LPG 충전소에 대한 개인적 위험도 산출 결과, 수소-LPG 형태의 복합충전소는 HSE에서 제안하고 있는 허용 불가수준의 위험지역(> 1×10E-3)은 나타나고 있지 않으며, 작업자와 일반인에 대한 개인적 위험수준이 모두 허용범위 내에 분포하고 있다.
	온실가스 감축을 위한 향후 수송부문 차량 보급의 예측은?	수소연료전지를 이용하는 수소전기차(FCEV)는 온실가스를 비롯한 유해물질이 없다는 점에서 환경적으로 매우 유리한 운송수단이다. 따라서 전문가들은 향후 수송부문 차량 보급에 있어 상당부분을 수소전기차가 차지하게 될 것으로 예측하고 있다. 국내에서도 수소전기차의 보급을 위해 수소 충전 인프라의 보급 확대를 위한 도전적인 로드맵을 제시하고 있다[1].

참고문헌 (5)

Korea Hydrogen Economy Roadmap, 2019, MOTIE
Ministry of Trade, Industry and Energy Notice No. 2016-130, 2016, Notice of Establishing Special Criteria for Complex and Packaged Hydrogen Fuel Cell Vehicle Refueling Station Facility Standards, Ministry of Trade, Industry and Energy
SAND2009-0874, 2009, Analyses to support development of risk-informed separation distances for hydrogen codes and standards
Clive Nussey, 2006, Failure frequencies for major failures of high pressure storage vessels at COMAH sites: A comparison of data used by HSE and the Netherlands, HSE, pp.28
Robert E. Melchers, William R. Feutrill, 2001, Risk assessment of LPG automotive refueling facilities, Reliability Engineering & System Safety, vol.74, Issue 3, pp.283-290

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