수소의 유해·위험성

 

수소 이용을 납득시키는 문제에 있어서는 위험에 대한 인식 역시 중요한 요인이 될 것이다. 

 

 

수소의 유해·위험성

수소 이용을 납득시키는 문제에 있어서는 위험에 대한 인식 역시 중요한 요인이 될 것이다. (적어도 초기에 있어서는) 수소가 관련되는 사고는 기존의 연료에 관련되는 사고와 비교해 좀 더 많은 언론의 주목을 끌 가능성이 높으며, 이로 인해 일반 대중의 저항 의식이 높아지고, 규제상 제약 조건이 강화되는 결과로 이어질 수도 있다. 위험 민감도, 위험에 대한 인식은 분야에 따라 달라질 수가 있으나, 항공이나 가정 난방 등 일반인의 주변에서 수소의 이용이 실제로 이루어지는 지역에서 가장 치열할 것으로 전망된다. 반면, 수소 저장과 같은 산업 용도에 있어서는 저항이 상대적으로 덜 할 것이다.

 

 

수소 안전의 중요성

안전은 투자자 및 개발 사업자에게 있어 상당한 사업상 위험 요인이 된다. 이미, 수소 재충전소에서 발생한 사건으로 인하여 차량 내 수소 사용이 상당 기간 중단되고 있는 사례가 나오고 있다.

산업계에서는 이미 수십 년 전부터 경험과 실전을 통해 검증된 방법을 통하여 인화성 가스의 안전을 관리해 오고 있다. 이러한 중요한 교훈을 얻기 위해 그동안 매우 비싼 값을 치러 온 것이다.

먼저, 안전을 위해서는 수소 및 수소 파생 물질이 지니는 특성이 잠재적 유해성에 어떻게 영향을 미치는지를 파악하고 있어야 한다.

둘째로, (안전성 및 비용에 있어) 적절한 위험 저감 조치를 설계 초기 단계에 적용하는 것이 가장 효과적인 안전 대책이 된다. 다수의 사례를 살펴 보면, 이러한 안전 조치를 초기에 적용하는 경우 추가적인 비용이 거의 소요되지 않거나, 아예 전혀 소요되는 일이 없이 본질적으로 더욱 안전한 설계를 구현할 수가 있다.

끝으로, 전 생애 주기에 걸쳐 설계 의도를 유지할 필요가 있다. 즉, 안전 조치가 느슨해 지는 일이 있어서는 안 되는 것이다.

이러한 조건을 모두 충족하기 위해서는 유해성에 영향을 미치는 수소(및 그 파생 물질)의 주요 특성에 대한 이해가 필수적이다. 수소는 그 파생물질과는 매우 다른 양상을 보이는 물질이므로, 이를 별도로 감안하는 것도 필요하다.

 

 

수소의 유해성

수소는 일반 대기 조건 하에서 가연성의 비독성 기체 형태를 지닌다. 수소의 특성이 유해성 및 유해성 관리에 미치는 영향을 이해하기 위해서는 일반에 널리 이용되고 있는, 또 다른 가연성 비독성 기체를 참고하는 것이 가장 좋은 방법이다. 바로 천연 가스(또는 천연 가스의 주 구성 물질인 메탄 가스)가 그것이다.

<그림 1> 메탄 vs. 수소 분자 구조

 

그렇다면 수소의 성격이 잠재적 유해성에 어떠한 영향을 미치는 것일까? 수소의 경우, 천연가스와 마찬가지로 사고로 누출된 물질이 점화될 시 화재 및 폭발로 이어질 수 있다.

 

 

이러한 부분에 있어서는 매우 활발하게 연구가 이루어지고 있으며, DNV는 현재 당사 영국 Cumbria 지역 Spadeadam에 위치한 시험 및 연구 센터를 통해 대규모 실험 연구를 진행하고 있다. 현재까지도 파악하는 단계에 있기는 하나, 지금까지 파악된 사실 만으로도 수소와 관련해 어떠한 부분에 노력을 집중해야 하는지 이미 드러났다.

표 1에서는 액체 및 기체 상태 모두에 대해 수소와 천연가스/메탄 간에 존재하는 차이를 보여주고 있다.

 

<표 1> 수소와 천연가스/메탄 간의 특성 및 유해성 결과 비교

가연성 기체의 구름에 불을 붙인다고 해서 항상 폭발로 이어지는 것은 아니다. 이러한 가스 구름이 좁은 장소에 밀집하게 되면 압력이 발생하거나, 화염이 매우 빠른 속도로 가속하게 된다(또는, 이 두 현상이 동시에 일어날 수도 있다). 이로 인한 결과는 매우 다양한 상황으로 전개되는데, 가정 내 저압 누출에서부터 수소 생산 시설이나 해상 용도 내에 서의 중압 누출, 저장 시설에서의 고압 누출 등을 생각해 볼 수 있다.

폭발의 강도를 결정하는 요인은 매우 다양하나, 대부분의 경우 가장 ‘반응성’이 높은 연료가 최악의 폭발 사태로 이어지게 된다. 여기서 반응성이란 화염이 가연성 구름 내를 얼마나 빨리 움직이는가를 의미하는 것으로서, 최악의 사태에서는 수소 화염이 천연가스부터 수 배 더, 통상적으로 사용되는 탄화수소와 비교하면 이보다도 더 빠른 속도로 번질 수도 있다.

뿐만 아니라 화염이 매우 빠른 속도, 즉 음속을 넘는 속도로 통과하게 되면 폭발이 폭굉으로 이어질 수가 있다. 폭굉(detonation)이란 폭발이 스스로 연속하여 일어나는 것으로, 폭발 첨두 부분의 충격파는 20 bar에 이르러 이것이 가스를 압축, 자동 점화가 일어나는 지경에 이르는 것이다. 이어지는 연소 작용은 충격파를 지속시키는 에너지를 공급한다.

폭발성(detonability)은 연료마다 차이가 있으며, 천연가스의 경우 현실적인 상황에서는 폭굉(detonations)이 전혀 발생하지 않는다. 그러나 수소의 경우는 발생할 가능성이 충분히 존재한다. 또 한가지 주목할 만한 사실은 현재 업계에서 사용하고 있는 폭발 시뮬레이션 방식은 폭굉으로의 전환 과정을 모델링하지는 못하며, 오직 폭굉이 일어날 수 있는 순간 만을 표시해 주는데 이 부분 역시 아직 상당한 불확실성이 존재한다.

이는 수소 시설에 있어서는 좋은 소식이라고는 할 수 없을 것이나, 이러한 특성은 공기 중 연료의 농도에 의해 좌우되는 것으로 알려져 있다. 만일 공기 중 수소 농도를 15% 미만으로 유지하는 경우, 유사한 농도의 메탄 수준에 그친다. 이는 수소 안전 관리의 중요한 요소 중 하나가 가급적 수소 농도 15%가 넘지 않도록 기체의 분산 및 축적을 관리하는 것임을 알 수 있다. 이것은 선상 환경과 같이 분산의 속도에 제약이 따르는 경우 특히 까다로운 문제가 된다. 기체의 탐지 및 저장 수소의 신속한 격리가 핵심적인 조치가 될 것이다. 환기 속도 및 환기 패턴 역시 필수적으로 고려해야 하는 요소가 된다. 또 한 가지 중요한 사실은 현재의 시뮬레이션 방식을 통해 가스의 확산 및 축적을 어느 정도 정확하게 모델링 해 낼 수 있다는 점이다.

요약하자면, 수소의 폭발 반응성에 대한 우려는 충분히 근거가 있다고 할 것이나, 이러한 문제를 인식하고, 설계를 통해 대기 중 수소 농도의 상승을 방지함으로써 현재 널리 사용되고 있는 천연가스 시설 수준, 또는 그 이상의 안전성을 지니는 시설을 공학적으로 구성할 수가 있다. 적절한 기술적 이해를 바탕으로 초기 설계부터 대응해 나갈 경우, 이러한 공학적 솔루션의 비용적 부담 역시 적절한 수준에서 제어가 가능할 것이다.

 

 

수소 파생물질

위험 관리에 있어 가장 중요한 수소 파생 물질은 아마도 암모니아일 것이다.

암모니아는 가연성이나, 점화가 상대적으로 어려우며, 연소 속도는 메탄에 크게 못 미친다. 폭발 위험성 역시 낮다. 암모니아가 지니는 가장 큰 유해성은 독성으로, 연소 하한선에 크게 못 미치는 공기중 농도 15%에서도 사람에 대한 유해성을 지닌다. 예를 들어 영국 HSE에서는 0.36%의 농도에 30분간 노출될 경우 1%의 치명률을 지니는 것으로 명시하고 있다. 5.5% 농도에서 5분간 노출될 경우 치명률은 50%에 이른다.

암모니아는 지난 100여 년 간 활발하게 생산이 이루어져 온 물질로서, 상당한 양이 비료 제조에 사용되고 있다. 또한, 오늘날에는 수소와 마찬가지로 새로운 에너지 운송 용도의 맥락에서도 암모니아의 잠재적인 유해성을 이해할 필요가 있다. 그 대표적인 예가 바로 해상 분야에서 암모니아를 연료로 사용하는 경우일 것이다. 암모니아가 선체 내에서 누출될 경우, 밀폐된 공간 내에 잠재적으로 치명적인 농도로 축적될 가능성이 있다. 수소와는 달리 이러한 유해성은 점화 위험을 줄이는 조치로는 저감할 수가 없다. 암모니아는 누출되어 인원에 접촉할 시 직접적으로 영향을 미치기 때문이다. 따라서 비록 폭발 가능성이 없다고 할 지라도 수소보다 암모니아가 더 안전하다는 보장은 어디에도 없다. 위험 평가 시에는 표준 유해성 관리 방식이 적용될 수가 있으며, 이 경우 발생 가능한 누출의 방식을 비롯해 누출 시 잠재적으로 축적될 수 있는 농도, 이러한 유해 수준에 인원이 노출될 수 있는 가능성을 염두에 두어야 할 것이다. 저감 방법으로는 암모니아 누출의 탐지, 암모니아 시스템의 비상 차단과 환기를 들 수가 있을 것이나, 비상 호흡 장구의 구비와 명확한 대피 경로의 지정도 필요할 수 있다.

LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carriers)는 그 특성이 이미 대량으로 취급이 이루어지고 있는 액체 탄화 수소와 유사함으로 인해 안전성 위험이 가장 낮은 범주에 속한다.

비록 생산 과정에 수소가 요구되고, 활용 과정에도 수소의 생성이 이루어진다 해도 안전 관리는 단순 명료해야 한다. (이는 수소의 경우도 동일하다.)

 

 

Reference : DNV — 2050 수소 전망 예측