[논문]이동식수소스테이션 정량적 위험성평가에 관한 연구

김동환; 이수민; 조충희; 강승규; 허윤실

doi:10.7316/khnes.2020.31.6.605

이동식수소스테이션 정량적 위험성평가에 관한 연구
A Study on the Quantitative Risk Assessment of Mobile Hydrogen Refueling Station 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.6, 2020년, pp.605 - 613

김동환 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 이수민 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 조충희 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 강승규 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 허윤실 (한국가스안전공사 가스안전연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In July and October of this year, the government announced the 'Green new deal plan within the Korean new deal policy' and 'Strategies for proliferation of future vehicles and market preoccupation'. And, in response to changes in the global climate agreement, it has decided to expand green mobility such as electric vehicles and hydrogen electric vehicles with the aim of a "net-zero" society. Accordingly, the goal is to build 310 hydrogen refueling stations along with the supply of 60,000 hydrogen vehicles in 2022, and the hydrogen infrastructure is being expanded. however, it is difficult to secure hydrogen infrastructure due to expensive construction costs and difficulty the selection of a site. In Korea, it is possible to build a mobile hydrogen station according to the safety standards covering special case of the Ministry of Industry. Since the mobile hydrogen station can be charged while moving between authorized place, it has the advantage of being able to meet a large number of demands with only one hydrogen refueling station, so it is proposed as a model suitable for the early market of hydrogen infrastructure. This study demonstrates the establishment of a hydrogen refueling station by deriving a virtual accident scenario for leakage and catastrupture for each facility for the risk factors in a mobile hydrogen station, and performing a quantitative risk assessment through the derived scenario. Through the virtual accident scenario, direction of demonstration and implications for the construction of a mobile hydrogen refueling station were derived.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Demonstration site of mobile hydrogen refueling station
그림 Fig. 2. Concept of mobile hydrogen refueling station
표 Table 1. Components of mobile hydrogen refueling station
표 Table 2. Five types of virtual accident scenarios for Choong-Joo mobile hydrogen refueling station
표 Table 3. Leak scenarios by mobile hydrogen refueling station facility
표 Table 4. Weather conditions at the hydrogen station site
표 Table 5. Population conditions at the hydrogen station site
표 Table 6. Ignition conditions at the hydrogen station site
표 Table 7. Risk criterion (HSE) for workers and the general public
표 Table 8. Rank of risk contribution by virtual accident scenario
표 Table 9. Individual risk result of mobile hydrogen station
그림 Fig. 3. ISO CONTOUR (individual risk) of mobile hydrogen station
그림 Fig. 4. F-N curve plot (societal risk) of mobile hydrogen refueling station

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 2021년 충청북도 충주에 구축 예정인 이동식 수소 스테이션에 대한 정량적 위험성평가를 수행하였다. 기존에 구축되어 오던 고정식 수소충전소와 다르게, 수소충전소가 허가받은 장소 간 이동하며 수소전기차를 충전하기 때문에 발생할 수 있는 진동에 의한 설비 피팅의 체결불량 등의 가상사고 시나리오를 도출하였다.
본 연구에서는 향후 실증사이트로 구축될 예정인 충청북도 충주 부지의 이동식수소스테이션의 위험요인에 대해 설비별 누출 및 파열로 인한 사고 시나리오를 도출하고, 도출된 시나리오를 통해 정량적 위험성 평가(quantitative risk assessment, QRA)를 수행함으로서 충전소 구축에 대한 실증방향과 시사점을 도출하였다.

제안 방법

기상조건은 KOSHA GUIDE P-107-2016 (최악 및 대안의 누출 시나리오 선정에 관한 기술지침) 에서제시한 대기온도 및 기상조건 등의 조건을 최악의 시나리오로 선정하여 위험성평가를 수행하였다. 충전소 설치부지인 충청북도 충주의 봄, 여름, 가을, 겨울 4계절의 기상통계 데이터(풍속, 대기안정도, 기온)를 분석하여 지난 3년간의 최대온도를 worst case (여름조건)로 선정하고, 추가로 겨울 조건을 고려하여 Table 4에 제시하였다.
기존에 구축되어 오던 고정식 수소충전소와 다르게, 수소충전소가 허가받은 장소 간 이동하며 수소전기차를 충전하기 때문에 발생할 수 있는 진동에 의한 설비 피팅의 체결불량 등의 가상사고 시나리오를 도출하였다. 또한 도출된 사나리오에 대한 발생 빈도와 충전소 주변 환경 등의 고려하여 개인적, 사회적 위험도를 도출하였다.
기존에 구축되어 오던 고정식 수소충전소와 다르게, 수소충전소가 허가받은 장소 간 이동하며 수소전기차를 충전하기 때문에 발생할 수 있는 진동에 의한 설비 피팅의 체결불량 등의 가상사고 시나리오를 도출하였다. 또한 도출된 사나리오에 대한 발생 빈도와 충전소 주변 환경 등의 고려하여 개인적, 사회적 위험도를 도출하였다. 위험성평가 결과 개인적 위험도 및 사회적 위험도 대부분 구간에서 허용 가능 범위에 해당하고 일부 조건부 허용(ALARP)구간 범위에 해당해 본 연구 대상인 이동식 수소충전소는 허용가능한 수준에서 안전하게 구축 될 것으로 판단된다.
또한 이동식수소스테이션의 가상시나리오별 위험도를 산출하고 위험기여도를 분석하였다. 튜브 트레일러 및 압축가스설비(high bank, medium bank) 의대규모 누출, 중규모 누출 시 위험기여도가 전체 기여 도중 67.
국내에서는 이러한 누출사고에 대한 데이터베이스를 수집 중에 있어, 위험성평가 시 해외의 누출 데이터베이스를 활용하였다. 수소충전소 누출사고 데이터는 미국의 국립 연구소인 Sandia National Laboratory 에서 제시한 사고빈도 데이터를 사용하였고⁷⁾, 튜브 트레일러 및 수소저장용기(high bank, medium bank) 의 심각한 파열로 인한 사고를 사고 시나리오에 포함하여 위험성평가를 수행하였다⁸⁾.
위험성평가를 위한 인구조건을 제시하기 위해 충전소 부지 인근 시설을 분석하였다. 인구분포는 주유소, 산업시설, 교회, 2021년 입주 예정인 오피스텔에 상주하는 일반인(public) 및 작업자(operator) 인원수를 조사하고 대략적인 근사값을 Table 5에 제시하였다.
정량적 위험성평가(QRA)를 수행하기 위해 발생 가능한 가상사고 시나리오 구성이 필요하며, 이를 위해 기존 수소충전소의 발생한 사고를 분석하고 이동식 수소 스테이션의 공정상 위험요소를 정성적 위험성 평가(Hazard and Operability Study)를 통해 가상사고시나리오를 구성하였다. 튜브트레일러와 배관연결부 및 그 외 설비 연결의 체결 불량, 튜브트레일러 오발 진에 의한 체결부 파손, 압축기 밸브 고장으로 인한 압축기 파손, 수소가스 배출 작업 중 미상의 점화원에 의한 화재, 차량 이동에 따른 진동발생으로 인해 피팅의 체결 불량으로 인한 가상사고 시나리오 5종을 구성하고 Table 2에 나타내었다.
구성하였다. 튜브트레일러와 배관연결부 및 그 외 설비 연결의 체결 불량, 튜브트레일러 오발 진에 의한 체결부 파손, 압축기 밸브 고장으로 인한 압축기 파손, 수소가스 배출 작업 중 미상의 점화원에 의한 화재, 차량 이동에 따른 진동발생으로 인해 피팅의 체결 불량으로 인한 가상사고 시나리오 5종을 구성하고 Table 2에 나타내었다.

대상 데이터

제시하였다6). 국내에서는 이러한 누출사고에 대한 데이터베이스를 수집 중에 있어, 위험성평가 시 해외의 누출 데이터베이스를 활용하였다. 수소충전소 누출사고 데이터는 미국의 국립 연구소인 Sandia National Laboratory 에서 제시한 사고빈도 데이터를 사용하였고⁷⁾, 튜브 트레일러 및 수소저장용기(high bank, medium bank) 의 심각한 파열로 인한 사고를 사고 시나리오에 포함하여 위험성평가를 수행하였다⁸⁾.
본 연구는 현재 국내에서 이동식수소스테이션 1호로 구축될 예정인 “충주 이동식수소스테이션”을 대상으로 하였다. 충전소 실증 부지 주변은 Fig.
이동식수소스테이션 누출사고 발생 시, 사고 예방설비로 수소가스검지기가 설치되어 가스를 차단하며, 유럽의 JRC 연구소에서 수소가스 검지기에 대해 응답시간을 측정한 실험데이터를 참고하여 최악의 조건으로 응답시간이 가장 길게 측정된 15초를 누출 지속시간으로 선정하였다⁹⁾.
충전소 설치부지인 충청북도 충주의 봄, 여름, 가을, 겨울 4계절의 기상통계 데이터(풍속, 대기안정도, 기온)를 분석하여 지난 3년간의 최대온도를 worst case (여름조건)로 선정하고, 추가로 겨울 조건을 고려하여 Table 4에 제시하였다.

성능/효과

3은 본 연구의 실증대상인 이동식 수소충전소의 ISO CONTOUR로 개인적 위험도 범위를 도식화 하였다. 개인적 위험도 시뮬레이션 결과 HSE에서제안하고 있는 허용 불가 수준(unacceptable/intoler-able)의 위험지역은 나타나지 않았으며, 작업현장 및 일반인에 대한 개인적 위험도는 모두 이동식 수소충전소 실증사이트 허용범위 내에 분포하고 있는 것으로 분석된다.
또한 도출된 사나리오에 대한 발생 빈도와 충전소 주변 환경 등의 고려하여 개인적, 사회적 위험도를 도출하였다. 위험성평가 결과 개인적 위험도 및 사회적 위험도 대부분 구간에서 허용 가능 범위에 해당하고 일부 조건부 허용(ALARP)구간 범위에 해당해 본 연구 대상인 이동식 수소충전소는 허용가능한 수준에서 안전하게 구축 될 것으로 판단된다.
도출했다. 튜브트레일러의 대규모 누출 시, 사고빈도 1.8E-04/year, 치명도 1.07E-01로 위험도(사고빈도×치명도)는 1.92E-05로 가장 높은 위험도를 나타냈으며, 위험기여도는 23.4%로 가장 높게 분석된다. 또한 압축가스설비(high bank, middle bank) 의대규모 및 중규모 누출 발생 시 위험기여도가 높게 산출되었다.

후속연구

이에 따라 가스누출 검지 경보장치, 긴급차단장치, 안전밸브 등의 안전장치의 주기적 관리를 통해 누출에 대한 대비가 필요할 것으로 판단된다. 또한 충전소가 이동 할 때마다, 진동으로 인한 충전소 핵심설비의 체결 불량, 파손, 고장 여부 등을 주기적으로 점검하여 안전관리를 한다면 안전하게 운용될 것으로 사료된다.
0으로 가장 높게 나타났으나, 사고빈도가 낮아 위험기여도가 낮게 나타났다. 이러한 가상사고 시나리오 별 위험도 순위는 이동식수소스테이션의 위험성을 분석하고 안전성을 확보하기 위한 데이터로 활용될 것이다.

참고문헌 (11)

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H. Kim and S. Kang, "Analysis of damage range and impact of on-site hydrogen fueling station using quantitative risk assessment program (Hy-KoRAM)", Trans Korean Hydrogen New Energy Soc, Vol. 31, No. 5, 2020, pp. 459-466, doi: https://doi.org/10.7316/KHNES.2020.31.5.459.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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