[스크랩] [기획-수소에너지③] 수소에너지의 안전성

친환경 수소자동차는 달리는 수소폭탄?!

안전성에 대한 왜곡된 정보 양산…막연한 국민 불안감 가중시켜

 

 

 

[편집자주] 지난달 GS칼텍스는 연세대학교 서울캠퍼스 내에 수소충전소를 건설할 계획이라고 발표했다. 이를위해 GS칼텍스는 총 100억원을 투자할 계획이며 올해말 착공에 들어가 내년 상반기 중 준공을 목표로 하고 있다.

 

현재 현대자동차, 한국가스공사, SK, 고효율수소에너지 제조․저장․이용기술개발사업단, 수소연료전지사업단 등이 국내에 수소충전소를 보유 또는 건설 중에 있지만 GS칼텍스의 경우 서울 시내 한복판에, 그것도 일반인들의 접근성이 비교적 용이한 대학교 캠퍼스내에 충전소를 건설한다는 점에서 우리나라가 수소경제에 한걸음 더 다가설 계기가 될 수 있을 것으로 보여진다.

 

그러나 이같은 표면적인 모습과 달리 이번 발표가 있기까지 GS칼텍스는 수소충전소 건설과 관련해 연세대 내부에서 제기된 안전성 논란을 불식시키기 위해 한동안 애를 먹어야 했다.

 

이 회사는 지난해말 연세대와 수소연료전지 등 미래에너지를 공동개발키로 하는 산학협력식을 개최하면서 수소충전소 설치계획을 함께 발표할 예정이었던 것으로 알려졌지만 교내에 고압가스 설비를 설치하는데 대한 학생들의 안전문제가 대두되면서 5개월여간 진통을 겪었던 것.

 

수소와 관련한 이러한 불안감은 수소가 인류를 에너지 위기에서 구원할 ‘친환경에너지’의 이미지와 가공할 폭발력을 자랑하는 ‘수소폭탄’이라는 전혀 상반된 이미지를 동시에 갖고 있기 때문이다.

 

이로인해 아직도 많은 사람들이 위험한 고압가스를 일반시민들을 대상으로한 공공에너지로 광범위하게 사용한다는 사실에 적지 않은 불안감을 표명하고 있으며 여기에는 소위 에너지전문가라 자처하는 인사들도 다수 포함되어 있다.

 

정말로 수소는 그토록 위험한 에너지일까.

 

대한민국 수소경제 구현을 위한 최우선 선결과제의 하나인 국민적 합의 도출의 최대 걸림돌로 작용할 수 있는 ‘수소에너지의 안전성’. 그 진실과 오해, 명(明)과 암(暗)을 파헤쳐 보자.

 

[暗] 폭발시 파괴력, 천연가스의 4배

 

 

지난 2003년 5월13일 한국과학기술원(KAIST) 항공우주공학과 풍동실험실에서 건물을 뒤흔드는 강력한 폭발음이 터져 나왔다.

 

연구실에 비치하고 있던 고압 질소용기가 갑자기 폭발한 것.

 

이 사고로 연구실에 있던 조모씨가 현장에서 숨졌고 강모씨는 두다리가 절단되는 등 참혹한 인명피해가 발생했다.

 

당시 경찰은 질소가 불활성가스로서 폭발을 일으키지 않는다는 점에 착안해 정밀조사를 벌였고 용기내에 질소가 아닌 폭발성 수소가스가 충전되어 있었음을 밝혀냈다.

 

올해 3월에도 전북 군산시 월명경기장에 설치된 한 애드벌룬이 강한 바람을 타고 지면으로 내려온 후 폭발해 호기심에 다가갔던 어린이 5명이 얼굴 등에 2~3도 화상을 입고 병원으로 이송됐다.

 

현행법상 애드벌룬, 풍선 등 부양(浮揚)기구에는 불활성인 헬륨가스만을 사용해야 하지만 비용절감을 위해 가격이 저렴한 수소를 넣었던 것이 원인이었다.

 

이러한 사고들은 수소가 얼마나 위험한 물질이며 단 한번의 실수로 돌이킬 수 없는 결과를 초래할 수 있음을 잘 보여주는 사례로 꼽힌다.

 

실제로도 수소는 강력한 폭발력을 내재하고 있는 가연성․폭발성 가스이다. 이 점에 있어서는 누구도 이의를 제기하지 않는다.

 

에너지전문가들에 따르면 수소는 별도의 점화원(點火原) 없이 공기(산소)와 접촉하는 것만으로 폭발 또는 화재를 일으킬 수 있음은 물론 가스의 확산성이 천연가스의 4배, 가솔린 증기(gasoline fumes)의 12배에 달하기 때문에 폭발시 파괴력도 그만큼 강력하다.

 

이와관련 지난해 국내의 한 연구팀이 270리터와 20리터 고압용기에 수소와 공기가 혼합된 가스를 충전한 후 강제 폭발실험을 실시해본 결과, 수소화염의 전파속도가 무려 초당 337.2미터에 달한다는 결과가 나왔다.

 

이 연구팀은 또 직경 0.1미터, 길이 12미터의 배관에 수소-공기 혼합가스를 주입하여 폭발실험을 실시, 수소와 공기의 농도가 각각 50%로 동일할 때 폭굉(detonation)속도가 초당 2,120미터의 가장 빠른 속도로 전파됨을 알아내기도 했다.

 

[표-1] 수소의 폭발화염 전파속도

수소-공기 혼합	수소농도 (vol %)	20	30	40	50	55	-
	폭굉속도 (m/s)	1,680	1,760	2,030	2,120	2,020	-
수소-산소 혼합	수소농도 (vol %)	20	30	50	60	70	80
	폭굉속도 (m/s)	1,650	1,830	2,320	2,630	3,070	3,530

*폭굉압력:14~19㎏/㎠

 

[표-2]와 [표-3]은 지난 1963년부터 2002년까지 39년간 국내에서 발생한 수소사고의 사례를 나타낸다. 사고건수는 총 38건으로 연간 1건에도 미치지 않는다.

 

도시가스 및 LPG 사고가 연간 100건 이상 발생한다는 점에서 극히 낮은 수치이다.

 

[표-2] 국내 수소사고 분석 (취급장소별)                           (단위:건)

	사고건수	인명피해		사고원인
		사망	부상
실린더 충전/이용	15	9	7	취급부주의
애드벌룬/풍선	8	2	39	취급부주의
석유화학공장	10	3	11	침식 / 수소취성 / 취급부주의 / 부적절한 재질 선정
실린더 수송	4	-	6	취급부주의
배관 누출	1	-	-	부식

[표-3] 국내 수소사고 분석 (사고형태별)                                      (단위:건)

	폭발사고			화재	산소 결핍
	용기폭발	밀폐공간폭발	가스운 폭발
실린더 충전/이용	5	3	4	3	-
애드벌룬/풍선	-	-	8	-	-
석유화학공장	-	1	2	6	1
실린더 수송	-	-	1	3	-
배관 누출	-	-	-	1	-

 

그러나 이러한 표면적 차이는 수소의 사용량이 도시가스나 LPG와는 비교도 안될 만큼 적고 사용되는 장소 또한 상대적으로 협소하기 때문일뿐 수소의 위험성이 낮다고 단정지을 근거가 될 수는 없다.

 

국내 수소가스 제조․공급업체인 덕양에너젠의 한관계자는 “수소사고는 산업체에서 주로 발생하기 때문에 사망사고로 이어지지 않는한 외부로 알려지지 않고 자체 은폐되는 사례가 많다”며 “공식집계에서 누락된 사고를 포함할 경우 실제 사고빈도는 이보다 훨씬 많을 것”이라고 밝혔다.

 

이 관계자는 또 “향후 수소를 주요 에너지원으로 대량 사용하게 되면 지금처럼 한정된 분야에서 유통됐을때 나타나던 것과는 전혀 다른 양상으로 사고유형이 전개될 수 있다”고 설명했다.

 

현재는 상용화되어 있지 않은 수소자동차, 수소버스, 수소연료전지 전자기기(노트북, 핸드폰 등), 수소파이프라인 등이 일반화되면서 전문지식을 갖추지 않은 일반대중들에 의해 막대한 량의 수소가 취급될 것이기 때문이다.

 

일례로 지난 94년 12월 서울 아현동에서 발생했던 도시가스 폭발사고와 같이 지하에 매설된 수소 파이프라인에서 누출이 일어나 주변건물 및 지하공동구에 고농도로 축적된 후 폭발할 경우 상상을 뛰어넘는 메머드급 피해가 예상된다.

 

이같은 위험성은 분명 수소가 친환경에너지, 청정에너지, 미래에너지, 무한에너지라 표현되고 있는 것과는 전혀 다른 모습임에 틀림없다.

 

[明] 천연가스 보다 안전성 확보 용이

 

 

수소가 이처럼 위험천만한 가스라면 모든 국민이 사용해야할 대중적인 에너지로는 부적합하다고 생각될 수 있으며 어쩌면 700bar(약 10,000psi)에 이르는 고압 수소용기를 장착한 수소연료전지자동차가 ‘달리는 수소폭탄’으로 느껴지는 것도 전혀 무리가 아니다.

 

그러나 수소 뿐만아니라 천연가스, 석유를 포함한 모든 종류의 연료가 폭발의 위험성을 안고 있어 취급에 세심한 주의를 필요로 한다는 점을 전제로 생각하면 수소는 여타 탄화수소계 연료들보다 오히려 안전성 확보가 용이한 물질이라는 것이 수소전문가들의 한결같은 지적이다.

 

구체적으로 위에 언급한 수소의 강력한 확산성은 폭발력 증대의 원천이기도 하지만 수소가 공기중에 누출됐을때 천연가스처럼 특정공간에 축적되지 않고 신속히 사라질 수 있음을 말하기도 한다.

 

이로인해 대량으로 누출되지만 않는다면 가스운(gas cloud) 형성이 미미한 수준에 그칠 것이며 자연발화 되더라도 순간적으로 화염이 일었다가 사라지는 플래시화재(flash fire) 수준에 머무를 것이라는 설명이다.

 

자연발화 가능성과 관련해서도 수소의 자연발화온도는 약 575℃로 휘발유(500℃), 경유(345℃), 메탄(540℃), 프로판(460℃), 부탄(475℃) 등 보다 높다.

 

또한 이론적으로 수소는 천연가스에 비해 14배 적은 열 에너지로도 화재가 일어날 수 있지만 이는 이론에 불과할 뿐이며 천연가스가 정전기로도 불이 붙는 반면 수소는 그렇지 않다.

 

즉 건물내부와 같은 밀폐공간에 수소가 누출되더라도 천연가스 대비 2배 수준의 농도로 수소가 축적되지 않는 이상 화재를 넘어 폭발로 이어질 가능성은 매우 적다는 설명이다.

 

덧붙여 수소 화염의 복사열(radiant heat)이 여타 탄화수소물질의 1/10 정도에 불과하므로 누출지점으로부터 일정거리만 유지하면 화상의 위험에서 벗어날 수 있고 화염과 직접 접촉하지 않는 이상 연기로 인한 질식의 우려도 전혀 없는 것으로 실험결과 밝혀졌다.

 

단지 낮시간대에는 수소의 화염을 육안으로 확인할 수 없어 이를 진압하기 위해선 특별한 식별 장비를 착용해야하기에 소방대원들의 입장에선 그리 달가운 사고가 아닐 것이다.

 

이와관련 전세계의 많은 사람들이 수소의 위험성을 강조하기 위해 가장 많이 꺼내드는 카드는 지난 1937년 미국 뉴저지에서 승객 36명의 목숨을 앗아간 독일 힌덴부르그號 수소비행선 폭발사고이다.

 

그러나 이 사고 또한 외부로 알려진 것과 실제 사실과는 커다란 차이가 있다.

 

당시 이 사건을 담당했던 NASA(미국항공우주국)의 Addison Bain 박사는 “힌덴부르그호는 폭발이 아닌 화재사고였다”며 “사망자들은 모두 추락, 디젤연료에 의한 화상, 기체 파편 등에 의해 숨졌고 수소 화염(hydrogen fire)에 의한 사망자는 단 한명도 없었다”고 밝히고 있다.

 

그는 또 “대형 사고였음에도 불구하고 62명이 살아남을수 있었던 것은 기체에 충전된 수소가스가 승객들에게 직접적 위해를 주지 않았기 때문”이라며 “수소가 아닌 불연성 헬륨이 충전됐더라도 피해규모에는 별 차이가 없었을 것”이라고 설명했다.

 

실제로 지난 1997년 힌덴부르그호 사고원인이 비행선의 인화성 외장재에 의한 것임이 공식 밝혀지면서 60여년간 이어졌던 수소의 억울한 누명이 벗겨졌다.

 

특히 [사진-1]은 지난 2003년 연료누출에 따른 화재발생시 수소자동차와 휘발유자동차의 화재전파 과정을 실험한 현대자동차측 자료로서 운전자의 안전측면에서 수소자동차가 휘발유자동차에 비해 높은 안전성을 보유하고 있는 것으로 밝혀졌다.

 

구체적으로 각 차량에 강제로 연료를 누출시켜 화재를 일으켜본 결과, 휘발유자동차는 1분만에 실내로 불이 전이되어 차체가 전소(全燒)되는 반면 수소자동차는 누출부위에서 순간적으로 높은 불길이 치솟지만 1분30초 후에 완전 연소되어 차량이나 운전자의 피해가 미미한 수준에 머물렀다.

 

이와관련 수소연료전지사업단에 참여중인 한 연료전지 전문가는 “수소와 관련한 일부 모순되고 왜곡된 정보들은 수소에너지가 지닌 개념적, 기술적 비(非) 완벽성과 유통정보의 부족 등이 원인”이라며 “수소는 이미 개발된 안전관리 기술과 시스템으로도 상당한 안전성을 확보할 수 있다”고 강조했다.

 

그는 또 “왜곡된 정보는 일반대중 보다 오히려 전문가 집단에서 많이 양산되고 있다”며 “이들의 경우 나름대로의 논리와 근거를 갖추고 있어 바로잡는데 필요한 시간과 노력도 배가 된다”고 밝혔다.

 

[인터뷰] 고효율수소에너지 제조․저장․이용기술개발사업단 김종원 단장

 

                     국내 수소에너지 연간 4만8천톤 사용

                가스레인지 수준의 확고한 안전성 확보될 것

 

 

□ 수소를 에너지로 사용하려는 이유는 무엇입니까.

신에너지는 기본적으로 기존 화석연료가 지닌 자원의 유한성, 환경오염문제 등을 회피할 수 있어야 한다.

 

현재 주종 연료인 석유와 가스는 각각 40~60년, 석탄은 200년 정도 분량의 가채매장량만이 남아있는 것으로 보고 있다.

 

미래를 대비하기 위해서는 화석연료의 혜택(가격의 상대적인 저렴성)을 누릴 수 있을 때에 고갈에 대비한 기술정착 기반을 마련해야 한다.

 

수소는 화석연료로는 물론 식물에너지자원(바이오매스)을 원료로도 생산가능하며 궁극적으로 태양에너지와 같은 무한한 에너지를 이용해 만들 수 있다.

 

즉 수소는 무한한 에너지 매체이며 다양한 원료로 생산할 수 있다는 이점이 있다.

 

또한 21세기 들어 지구온난화의 주범인 이산화탄소의 배출량 규제, 이를테면 기후변화협약과 같은 국제협약을 통한 규제가 점차 구체화될 것이다.

 

수소는 탄소성분이 전혀 없다는 점에서 환경친화적이며 ‘궁극적 에너지’라 할 수 있다.

□ 아직도 많은 사람들이 수소폭탄을 떠올리며 수소의 활용에 불안감을 표명하고 있습니다. 폭발성가스인 수소를 에너지로 사용하는 것이 위험하지 않습니까.

수소경제에서 말하는 수소에너지와 수소폭탄은 기술적으로 볼 때 전혀 연관성이 없다.

 

수소폭탄은 수소 중 희귀하게 존재하는 동위원소인 트리튬(Tritium)을 사용하며 핵분열과 핵융합과정을 이용한 것이므로 단순한 화학반응이 적용되는 수소에너지 관련기술과는 전혀 다르다.

 

다만 수소는 가연성기체이기 때문에 기존 연료와 같은 안전에 대한 수칙과 표준화, 안전설비 등을 갖춰야 할 것이며 일반 소비자의 입장에서 지금의 가스레인지를 다루는 수준의 확고한 안전도를 확보해 나가야 할 것이다.

□ 현재의 기술수준으로 안전한 수소에너지의 활용이 가능한지요.

전세계는 이미 산업용으로 연간 약 5,000만톤의 수소를 사용하고 있다. 국내에서도 연간 4.8만톤(2004년 기준)의 수소가 유통중이며 비교적 사고 없이 안전하게 사용해왔다.

 

단지 지금은 대부분 산업용으로 쓰이기 때문에 전문가들이 취급해 왔지만 앞으로는 최종소비자인 일반인이 다뤄야 한다는 점에 차이가 있다.

 

따라서 안전과 직결된 표준화 문제를 국제표준기구인 ISO에서 TC 197이라는 위원회를 발족, 검토․제정하고 있다. 수소연료 제품명세 등 4종은 이미 국제표준이 만들어진 상태이며 기체수소충전소 등 15종의 제정 작업이 현재 진행중이다.

 

지금은 수소자동차가 운행된다는 전망하에 이에 필요한 기술 표준화가 우선적으로 이루어지고 있다.

 

수소의 대표적 활용분야인 연료전지는 IEC에서 국제표준(IEC/TC105)을 만들고 있는데 고정형 및 이동형 연료전지의 안전과 성능, 설치 방법이 논의되고 있으며 이중 2개의 국제규격이 제정된 상태이다.

 

국내에서도 ISO/TC197, IEC/TC-105에 기술표준원을 중심으로 관련전문가들이 참여하고 있으며 국가표준도 만들고 있다.

□ 파이프라인을 통한 수소공급과 관련 대구 도시가스 폭발사고와 같은 대형사고가 일어날 개연성은 없는지요.

수소는 가연성가스이지만 천연가스와 비교해 착화온도도 낮고 발화에너지도 적으며 폭발한계가 넓다. 연소속도도 빠르다.

 

안전설비와 표준은 이러한 수소의 특성을 고려하여 만들어진다.

 

유럽에서는 이미 650km에 이르는 고압수소 파이프라인을 통해 대량의 수소를 공장에 공급하여 안전하게 이용하고 있다.

 

우리나라 또한 수송규모는 작지만 대략 100km에 이르는 수소배관이 존재한다.

 

그럼에도 불구하고 도시가스 사고와 같이 인재에 의한 사고의 개연성은 항상 있다. 전기, 천연가스, LPG 등처럼 수소도 안전을 최우선시하고 자동 모니터링함으로서 인재에 의한 사고 위험을 최소화하고자 늘 노력하고 있다.

□ 수소에너지의 안전성에 대한 국민들과의 공감대 형성을 위해 사업단에서는 어떠한 노력을 기울이고 계십니까.

수소는 가연성가스의 일종이므로 절대적으로 안전하다고는 말할 수 없다.

 

하지만 이같은 위험은 다른 연료도 지니고 있다. 상업화가 가능하려면 최종소비자인 일반인이 쉽게 불안감 없이 사용할 수 있어야 한다.

 

물론 이러한 일은 안전관련 기관과 정부부서에서 주도적으로 해나가겠지만 사업단에서도 연구개발과정에서 충분히 안전하다 믿을 수 있는 기술데이타를 확보해 나갈 것이다.

 

□ 수소에너지의 안전성 문제와 관련하여 추가적으로 강조하고 싶으신 내용이 있다면

수소경제의 대표기술인 수소자동차를 예를 들어보면 자동차는 전문가가 아닌 일반인이 사용하는 생필품과 같은 존재이므로 가장 엄격한 안전기준이 만들어지고 보완될 수밖에 없다.

 

수소에너지 또한 기존 자동차만큼 안전성과 편의성이 확보되지 못한다면 소비자가 외면할 것이라는 사실을 잘 알고 있다.

 

시장 진입의 성공여부는 안전성 확보여부에도 걸려있는 만큼 신뢰성 있는 제품으로 일반인에게 다가갈 준비를 하는 것이 수소경제를 준비하는 전문가들의 기본적인 자세임을 인지해주었으면 한다.

 

[2006.07] 서울경제 파퓰러사이언스 양철승 기자 csyang@sed.co.kr

출처 : 수소경제 [Hydrogen Economy]

글쓴이 : 둥근해가떡썹니다 원글보기

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