시스템안전연구팀 김선진 연구원, 박동욱 선임, 이상익 수석

 1. 서 론

KR은 IMO 2050 Net-Zero 목표에 따라 차세대 무탄소 선박으로 주목받고 있는 수소 추진 선박의 실현을 위하여 벙커링 중 사고의 예방 및 완화하기 위한 벙커링 안전 구역 설정 방법론을 제안한다. 해당 방법론에 따라 위험도가 높은 수소와 LNG를 비교 분석하여 적용 가능한 예시 가이드 제공을 통해 국내 수소 벙커링의 안전 문화 확립에 기여할 것으로 기대된다.

 2. 연료 특성

하기 표는 본 대상 연료인 수소와 LNG의 주 성분인 Methane의 특성을 비교한 것이다. 주지하다시피 수소는 밀도가 낮아 확산도가 높으며, 가연성 범위가 넓고 낮은 점화에너지를 갖고 있어 화재 및 폭발을 야기할 수 있는 극 인화성 가스이다. 또한 연소 속도와 화염 전파속도가 빨라 화재 및 폭발 발생 시 기존 탄화수소보다 높은 위험을 초래할 수 있다.

앞서 언급한 수소의 특성을 고려할 때, 기존의 LNG 벙커링과는 차별화된 위험 요소가 존재할 수밖에 없다.

 3. 안전 구역 설정 방법론

“안전 구역”은 일반적인 벙커링 작업 중 연료 누출로 인해 가연성 가스운 환경이 조성될 수 있는 3차원 공간으로, 이 구역은 형성된 가연성 가스운으로부터 인명 피해와 장비/인프라 손상을 최소화하기 위해 특정/필수 인원 출입 및 작업 활동만을 허용한다. 또한, 화재/폭발을 방지하기 위하여 누출 제어와 점화원 요소 제어를 주 목적으로 한다.
이러한 구역 설정은 벙커링 이송 설비, 수취선의 매니폴드 위치, 배관 내 연료의 양, 이송 조건(이송유량·압력·작업위치·벙커링방식 등), 환경 조건(대기온도·풍속·풍향 등), 안전 설비, 그리고 누출 위치에 영향을 받는다.

대체 연료에 범용적으로 적용 가능한 벙커링 안전구역을 설정하기 위해 다음과 같은 방법론을 제안한다.

1)  관련 규제 및 규정 확인
현재 수소에 대한 벙커링 규정이 미흡하기에 LNG 벙커링 규정도 참고하여 규제적·협약적 위반 여부를 선행적으로 검토하여야 한다.

2) 대상 정보 수집
수집할 정보는 벙커링 작업 공간, 선박 정보(수취선) 및 벙커링 방법 그리고 벙커링 공정 등이 있다. 이번 연구에서는 일반적인 고압 수소, 액화 수소, LNG의 연료 이송을 고려하였으며, 주요 변수는 공급 압력으로 설정하였다.

3) 누출 시나리오 선정
ISO에서 제안하는 결정론적 접근법을 활용하여 해석을 수행하였다. 벙커링 작업 위치는 “수소 기술개발 로드맵”의 수소항만 조성 방안을 참고하여 부산 신항으로 설정하였으며, 환경 조건은 기상청의 한국기후표를 기반으로 하였다. 보수적인 안전 구역 범위를 설정하기 위해 공급관 양 끝에서 누출이 발생한다고 가정하였다. 이를 바탕으로 산정한 누출 시나리오는 다음과 같다.

[Environmental condition]

[Leakage scenarios considering various bunkering conditions]

4) 가스 확산 모사
벙커링 중 가연성 물질의 누설로 인한 화재나 폭발 사고는 심각한 인적 피해와 장비 손상을 초래할 수 있다. 따라서 취급 물질의 위험도를 사전에 파악하고 안전성을 확보하기 위해 가스 확산 해석이 필요하다. 다만, 누설 및 확산은 연료의 특성과 주변 환경 간의 상호작용, 열역학적 변화, 상변화 등에 따라 시간에 따라 물리적 특성이 변한다. 또한 풍속 및 풍향 등의 환경조건이 일정하게 유지되지 않으므로 현장과 동일한 조건으로 해석 모델을 구현하는 것은 사실상 불가능 하다. 이에 따라 일부 조건을 가정하거나 특정 조건에서만 지원되는 Workbook과 Integral, CFD 등의 모델이 사용된다. 본 연구는 고압수소, 액화수소, 기존 LNG의 확산 특성을 비교하고, 벙커링 조건에 따른 확산 경향을 분석하기 위해 Integral 모델을 활용하였다.

LNG와의 공정한 비교를 위해서 각 연료 가연성 하한계(Lower Flammable Limit, 이하 LFL)를 기준으로 확산 해석 결과를 분석하였다.

기체 수소의 경우, 고압일수록 그리고 누출위치가 해수면과 가까울수록 넓은 확산도를 갖는 것이 식별되었다. 이는 벽면 반사 확산 또는 가스 확산의 반사 효과 영향인 것으로 확인되었다.

[Gas dispersion analysis result - compressed hydrogen]

LNG와 액화수소의 LFL 분산거리를 비교한 그래프는 다음과 같다. 공급 압력이 높을수록 넓은 확산도를 확인하였다.
또한, 해수면 상 5 m에서는 LNG의 분산 거리가 수소보다 넓었으나, 10 m 이상부터는 수소의 확산 거리가 더 넓은 것으로 확인되었다.
다만, 누출 높이가 20 m에서는 벽면 반사 확산 영향이 거의 없어 LFL의 분산거리는 짧아지는 것을 확인되었다.

[Gas dispersion analysis result - comparison of LH2 with LNG]

해당 환경조건이 다를 경우, 이에 대한 경향성이 달라질 수 있으며, 그 중 온도와 습도에 비해 풍속이 주요 변수임을 확인하였다. 이는 수소의 낮은 밀도 특성이 반영되었기에 타 연료는 다른 경향을 보일 수 있다.

상기의 조건 중 공급 압력이 10 barg인 가스 확산 해석 결과, LNG는 해수면 상 15 m 에서 27.7 m의 분산 범위(안전 구역)가 도출되었으며 수소의 경우 해수면 상 5 m에서 52.8 m로 약 1.9배 분산 거리가 도출되었다.
이는 통해 가장 짧은 분산 거리를 비교하였을 때 액화 수소는 LNG에 비해 약 1.9배 넓은 안전 범위가 설정되는 것을 의미한다.

이번 연구에서는 누출구의 크기를 동일하게 설정하였으나, 액화 수소는 LNG 대비 부피당 에너지 밀도가 2.5배가 낮기 때문에 벙커링 시간이 동일하다는 조건에서 수소의 벙커링 파이프/호스의 직경이 LNG에 비해 약 1.6배 넓어야 한다. 이는 곧 누출구의 크기와 누출량에 밀접한 영향을 갖는다.

5) 안전구역 배치
가스 확산 모사를 통해 도출된 대상 연료의 확산 범위를 대상 선박에 적용하여 안전구역을 배치하여야 한다. 이때 확산 범위는 고려하고자 하는 가스 농도이어야 하며, 이는 안전관리구역에 반드시 기재하여야 한다. 또한, 도출된 가스 확산 범위로 산정한 안전구역은 하기 그림과 같이 R1, R2, R3 그리고 H1, H2, H3을 고려하여야 하며, 벙커링 작업 전 평가받아야 한다.

[Graphical presentation of safety zone]
수평(R1) 분출(Horizontal release) 및 수직(상 방향)(H1) 분출(Vertical release)
육상/갑판(H2 및 R2)과 해상(H3 및 R3)으로 하향 분출