[논문]수소-CNG 복합충전소 정량적 위험성평가에 관한 연구

강승규; 허윤실

doi:10.7842/kigas.2020.24.1.41

초록
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본 연구는 기존의 CNG충전소에 복합으로 수소충전소를 건설하는 형태의 수소-CNG 복합충전소에 대한 정량적 위험성평가를 수행하였다. 수소충전소와 CNG충전소에서 발생할 수 있는 사고시나리오를 도출하고 각 시나리오에 대한 사고발생빈도를 고려하여 개인적, 사회적 위험도를 계산하였다. 위험성평가 결과 사회적 위험도는 허용가능 범위에 들어 왔으나, 개인적 위험도에 있어서는 일부 지역에서 허용범위를 벗어나는 구간이 발생하였고, 위험성기여도 분석을 통해 고위험요소를 발굴하였다. 수소-CNG 복합충전소에서는 CNG 저장용기, 압축기, 제어 판넬에서 대규모 누출이 발생할 경우 높은 위험도를 보이게 되며 충전소 전체 위험도의 약 88%를 기여하게 된다. 따라서 이러한 고 위험요소에 대하여는 주기적이고 집중적인 안전관리가 이루어져야 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study performed a quantitative risk assessment for hydrogen-CNG complex refueling stations. Individual and societal risks were calculated by deriving accident scenarios that could occur at hydrogen and CNG refueling stations and by considering the frequency of accidents occurring for each scena...

This study performed a quantitative risk assessment for hydrogen-CNG complex refueling stations. Individual and societal risks were calculated by deriving accident scenarios that could occur at hydrogen and CNG refueling stations and by considering the frequency of accidents occurring for each scenario. As a result of the risk assessment, societal risk levels were within the acceptable range. However, individual risk has occurred outside the allowable range in some areas. To identify and manage risk components, high risk components were discovered through risk contribution analysis. High risks at the hydrogen-CNG complex refueling station were large leakage from CNG storage containers, compressors, and control panels. The sum of these risks contributed to approximately 88% of the overall risk of the fueling station. Therefore, periodic and intensive safety management should be performed for these high-risk elements.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1. Components of Hydrogen-CNG combined refueling station
그림 Fig. 1. Site of hydrogen-CNG complex fueling station
표 Table 2. Leak scenarios and frequencies of H2 and CNG refueling station facilities
그림 Fig. 2. Individual risk contours for hydrogen-CNG fueling station
표 Table 3. Weather conditions
표 Table 4. Population conditions
표 Table 5. HSE individual risk criteria
그림 Fig. 3. Societal risk curves for hydrogen-CNG fueling station
표 Table 6. Risk ranking by risk integral percent

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 기존의 CNG충전소에 복합으로 수소충전소를 건설하는 형태의 수소-CNG 복합충전소에 대한 정량적 위험성평가를 수행하였다. 수소충전소와 CNG충전소에서 발생할 수 있는 사고시나리오를 도출하고 각 시나리오에 대한 사고발생빈도를 고려하 여 개인적, 사회적 위험도를 계산하였다.
이에 본 연구에서는 기존 CNG 충전소에 수소충 전소를 병설할 경우 위험요소를 분석하고 정량적 위험성 평가를 수행하여 위험도를 평가하고 위험을 감소시켜 안전성을 강화할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.

가설 설정

2019년 H2KOREA에서 발표한 융·복합 부지조사 보고서에 따르면 국내 100만 이상 대도시를 중심으로 존재하는 CNG 충전소 94개소에 대한 수소 융복합 가능 부지 평가에서 51개소가 적합한 것으로 평가되었다[6]. 인구와 건물이 밀집된 대도시에 수소충전소를 건축하기 위한 부지확보가 어려운 상황에서 기존 CNG 충전소의 활용은 매우 효과적이고 신속한 수소충전인프라 보급 방안이 될 것이다.

제안 방법

본 연구는 수소-CNG 복합충전소의 정량적 위험성평가를 위해 범용 QRA툴인 DNV-GL사의 Safeti 를 사용하였다. 본 연구대상 설비에서 발생 가능한 사고 시나리오와 빈도데이터를 기반으로 충전소 주변의 환경조건을 반영하여 개인적 위험도 및 사회적 위험도를 산출하여 대상 시설에 대한 위험성을 평가하였다.
본 연구는 기존의 CNG충전소에 복합으로 수소충전소를 건설하는 형태의 수소-CNG 복합충전소에 대한 정량적 위험성평가를 수행하였다. 수소충전소와 CNG충전소에서 발생할 수 있는 사고시나리오를 도출하고 각 시나리오에 대한 사고발생빈도를 고려하 여 개인적, 사회적 위험도를 계산하였다. 위험성평가 결과 사회적 위험도는 허용가능 범위에 들어 왔으나, 개인적 위험도에 있어서는 일부 지역에서 허용범위를 벗어나는 구간이 발생하였고, 위험성기여도 분석을 통해 고위험요소를 발굴하였다.
본 연구대상의 복합충전소는 사회적 위험도 평가에서 충분히 허용가능한 수준의 위험도가 측정되었으나 개인적 위험도에서는 일부 허용범위를 벗어나는 구간이 발생하였다. 시설의 안전성 향상을 위해 어떤 요소들이 복합충전소의 위험도에 크게 영향을 미 치고 있는지 파악하기 위해 대상 시설의 구성요소별 시나리오에 대한 위험도 순위를 통해 분석하였다. Table 6은 본 CNG-수소 복합충전소의 위험도 순위를 나타내고 있다.

대상 데이터

본 연구는 수소-CNG 복합충전소의 정량적 위험성평가를 위해 범용 QRA툴인 DNV-GL사의 Safeti 를 사용하였다. 본 연구대상 설비에서 발생 가능한 사고 시나리오와 빈도데이터를 기반으로 충전소 주변의 환경조건을 반영하여 개인적 위험도 및 사회적 위험도를 산출하여 대상 시설에 대한 위험성을 평가하였다.
3 사고데이터베이스를 활용하였다[7]. 수소충전시설에 대하여는 미국의 Sandia 국립연구소에서 제시한 설비별 누출 크기에 따른 누출빈도 데이터를 적용하였다[8]. Sandia 연구소에서도 수소충전소에 대한 데이터가 충분하지 않기 때문에 기존의 석유화학시설에서 사용되는 사고빈도데이터 및 산재된 수소설비관련 빈도데이터를 이용하여 Bayesian 통계처리 기법을 사용하여 빈도 데이터를 수정하였다.
위험은 사고에 의한 피해영향(Consequency)과 발생빈도 (Frequency)의 곱으로 정의되기 때문에 어떤 발생 빈도 데이터를 사용하느냐에 크게 영향을 받는다. 현재 국내 충전소에 대한 사고 빈도데이터가 미구축 상태이므로 해외의 검증된 데이터를 사용하였다. CNG 충전소에 설치되는 천연가스 설비는 전 세계적으로 오랫동안 운영되어오면서 많은 데이터가 축적되어 왔다.

데이터처리

수소충전시설에 대하여는 미국의 Sandia 국립연구소에서 제시한 설비별 누출 크기에 따른 누출빈도 데이터를 적용하였다[8]. Sandia 연구소에서도 수소충전소에 대한 데이터가 충분하지 않기 때문에 기존의 석유화학시설에서 사용되는 사고빈도데이터 및 산재된 수소설비관련 빈도데이터를 이용하여 Bayesian 통계처리 기법을 사용하여 빈도 데이터를 수정하였다. CNG 및 수소충전소에서 발생할 수 있는 최악의 상황인 저장용기의 파열(catastrophic rupture)에 대한 사고 빈도는 영국 HSE의 보고서를 인용하였다[9].

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 연구 에서는 가장 일반적으로 사용되는 영국 HSE 가이 드라인을 기반으로 하였다.

성능/효과

본 연구대상의 복합충전소는 사회적 위험도 평가에서 충분히 허용가능한 수준의 위험도가 측정되었으나 개인적 위험도에서는 일부 허용범위를 벗어나는 구간이 발생하였다. 시설의 안전성 향상을 위해 어떤 요소들이 복합충전소의 위험도에 크게 영향을 미 치고 있는지 파악하기 위해 대상 시설의 구성요소별 시나리오에 대한 위험도 순위를 통해 분석하였다.
2는 수소-CNG 복합충전소에 대한 개인적 위험도 계산결과를 충전소 부지에 표시하였다. 본 연구대상의 복합충전소에서 계산된 개인적 위험도의 최대값은 6.93×10^-4이며, 부지에 표시된 위험범위를 확인해 본 결과 수소충전소 작업장 내에서는 10^-5 수준의 위험도가 측정되고, CNG 충전소에서는 10^-4 수준의 위험도가 측정된다. 이는 CNG 충전소의 방호벽 영향이 고려되지 않은 결과로 CNG 충전소에서 높은 위험도를 보이는 CNG 저장용기와 압축기의 대규모 누출에 따른 제트화염의 영향 때문이다.
Combination 1은 주간 80%와 야간 20%을 조합한 결과로서 운영 시간을 기준으로 수소충전소가 대략 주간에 80%가 운영되고, 야간에 20%가 운영되는 것을 가상한 것이다. 사회적 위험도 결과는 주간, 야간, 주·야간 조합의 결과가 모두 허용 가능범위(ALARP, As Low As Reasonably Practicable)에 분포하는 것을 확인할 수 있다.
Table 6은 본 CNG-수소 복합충전소의 위험도 순위를 나타내고 있다. 이 결과에 따르면 CNG 충전소의 저장 용기에서 대규모 누출이 발생할 경우 가장 높은 위험도를 보이고 있는데 이것이 복합충전소 전체 위험도의 약 52%를 차지하고 있는 것으로 나타났고, 다음으로 CNG 압축기에서의 대규모 누출이 약 27%, CNG 제어 판넬의 대규모 누출이 약 9%를 차지하는 것으로 나타나 이 세 가지의 위험기여도 합이 88%에 달하는 것으로 확인되었다. 그리고 수소충전소에서 높은 위험도를 보이는 요소는 고압수소 저장용기 및 중압수소 저장용기의 대규모 누출로 각각 2.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	천연가스(CNG) 버스로 교체하는 정책을 추진한 이유는 무엇인가?	2000년대 초반 대도시의 대기오염을 줄이고자 경유 시내버스를 천연가스(CNG) 버스로 교체하는 정책을 추진하였다. 지속적인 정부의 보급정책에 힘입어 도심의 시내버스는 대부분 청정연료인 CNG 버스로 교체되었다.
	CNG충전소에 복합으로 수소충전소를 건설하는 형태인 수소-CNG복합충전소에 대해 정량적 위험성평가를 한 결과는 무엇인가?	수소충전소와 CNG충전소에서 발생할 수 있는 사고시나리오를 도출하고 각 시나리오에 대한 사고발생빈도를 고려하 여 개인적, 사회적 위험도를 계산하였다. 위험성평가 결과 사회적 위험도는 허용가능 범위에 들어 왔으나, 개인적 위험도에 있어서는 일부 지역에서 허용범위를 벗어나는 구간이 발생하였고, 위험성기여도 분석을 통해 고위험요소를 발굴하였다. 수소-CNG 복합충전소에서는 CNG 저장용기, 압축기, 제어 판넬에서 대규모 누출이 발생할 경우 높은 위험도를 보이게 되며 충전소 전체 위험도의 약 88%를 기여하게 된다. 따라서 현재 CNG 충전소의 저장용기, 압축기, 제어 판넬실은 방호벽으로 보호하여 주변으로 피해가 확산되지 않도록 관리하고 있으며, 누출 시 화재폭발을 방지하기 위해 방폭구역선정 및 가스검지기 설치를 통해 관리되고 있다. 이러한 안전조치에도 불구하고 고 위험요소에 대하여는 주기적이고 집중적인 안전관리가 요망된다.
	CNG는 어떻게 공급받는가?	CNG차량은 20MPa의 압력을 사용하고 수소전기차는 70MPa의 압력을 사용하고 있으며 각각의 가스를 목표압력으로 충전하기 위해 압축기를 운영한다. CNG는 천연가스를 압축한 가스로 메탄(CH4)를 주성분으로 하고 있으며, 도시 가스 배관망을 통해 공급받는다. 압축기를 통해 압축된 도시가스를 저장하기 위한 대용량(1,300L)의 압력용기가 설치되며 디스펜서를 통해 차량에 18 ∼20MPa까지 충전을 하게 된다.

참고문헌 (9)

Jae-Sun Ko, Hyo Kim, " The Fire Risk Assessment in Compressed Natural Gas Buses & Gas Station", T. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng., Vol. 18, No. 2, pp. 57-67, (2004)
N. Badry, Bahman Abdolhamidzadeh, Davod Rashtchian, "Application of Quantitative Risk Assessment for a CNG Refueling Station", 2nd National conference on safety engineering and HSE management, (2008)
Naser Badri, Farshad Nourai, Davod Rashtchian, "Quantitative Risk Assessment to Site Cng Refueling Stations", 4th International Conference on Safety & Environment in Process Industry, Volume: 19, (2010)
Notice of Establishing Special Criteria for Complex and Packaged Hydrogen Fuel Cell Vehicle Refueling Station Facility Standards, Korea Ministry of Trade, Industry and Energy Notice No. 2016-130, (2016)
JIWON PARK, YUNSIL HUH, SEUNGKYU KANG, "A Study on Site to Build Hydrogen Multi Energy Filling Station in Domestic LPG Station", Trans. of Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 28, No. 6, pp. 642-648, (2017)

원문보기 상세보기
Hydrogen distribution structure analysis and price setting - Hydrogen station site survey, H2KOREA Working Group Report, (2019)
Leak v3.3, DNV, (2011)
Jeffrey LaChance, William Houf, Bobby Middleton, and Larry Fluer, "Analyses to Support Development of Risk-Informed Separation Distances for Hydrogen Codes and Standards", SANDIA REPORT, SAND2009-0874, (2009)
Clive Nussey, 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, (2006)

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