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수소전기버스 안전성 높인다

수소버스 안전성 평가기술 및 장비개발 과제 시작
총 사업비 319억 원 들여 2023년 말까지 진행
수소버스 안전성 확보 위한 법제화 기준 설정

[월간수소경제 김시우 객원기자] 수소버스는 전기자동차의 한 분류로 수소와 산소의 화학적 반응을 통해 생산한 전기에너지를 동력원으로 사용하며, 연료전지와 배터리 또는 슈퍼 커패시터(SCF)를 함께 구성하여 구동 모터에 전력을 안정적으로 공급함으로써 오염물질 배출이 제로인 친환경 대형승합자동차를 말한다.


수소버스는 운행 시 연간 대기오염 물질을 내연기관 차량 대비 880kg을 감소시켜 수소승용차(5kg), 수소택시(25kg)보다 저감효과가 월등하며, 수소버스 1대당 연간 56톤의 온실가스 감축효과로 승용차(2t)나 수소택시(8t) 대비 높은 효용성을 보이며, 주행거리가 길고 수소 소비량이 승용차 대비 50배나 많아 충전소 보급 촉진 또한 가능한 이점이 있다.


수소버스 보급 활성화를 위해서는 수소버스가 본격적으로 보급되는 시점에 맞추어 수소버스의 운행 안전성 제도 정비와 검사 시행 등 정부 역할이 필수적이지만 별도의 평가기술 및 장비는 전무한 실정이다.


최근 대형교통사고(사망 3명 이상 또는 사상자 20명 이상) 추세는 감소하고 있지만, 2018년 대형교통사고 승합차 점유율이 50%로 높고 그중 버스 비율이(노선버스 및 전세버스) 70% 이상을 차지하고 있어 교통사고 상황에서 다른 차종에 비해 더 큰 인명 피해를 일으킬 수 있는 버스의 특성과 친환경 연료지만 누출 시 화재 등의 위험성이 큰 수소의 특성을 고려하여 수소버스의 충돌 및 화재사고가 발생하더라도, 국민의 생명을 보호하고 재산 피해를 최소화할 수 있도록 평가방법 마련이 필요하다.


아울러, 국내에는 수소버스 전복사고에 따른 연료장치 위험성 등을 고려하여, 세계 최초로 전복시험을 통한 연료장치 안전기준을 마련하였으나, 실차 전복시험 등 세부시행세칙이 아직 부재한 상황이다. 그리고 수소승용차 대비 수소버스는 배터리의 동력 비중이 커졌으며 대용량 배터리 및 연료전지 모듈의 다중 동력원에서 전력을 공급받아 병렬형으로 모터시스템을 구동시키므로, 현행 원동기 출력시험 기준으로는 수소버스의 출력을 모사하는 데 한계가 있다. 




또한, 수소버스 부품의 노후화로 연료전지 시스템의 성능 저하에 따른 운행 중 수소 배기가스 농도 증가, 대형화된 수소내압용기로 인한 수소 투과량 증가 등을 고려한 운행차 안전성 확인이 필요하다. 대형화된 수소내압용기는 기존 수소승용차에 비해 용기 체적이 증가하여 현행 인증시험용 장비로는 평가가 불가능하고 국내 자동차용 수소내압용기 및 부품의 안전기준이 국제기준(UN R 13)과 조화될 예정이나 국내에는 시험장비가 마련되어 있지 않다.


정부의 수소경제 활성화 로드맵에 따라 수소버스가 본격적으로 보급이 될 예정이지만, 수소버스의 안전성을 확보하기 위해서는 앞서 언급한 수소버스의 충돌사고 안전, 구동시스템 성능 검증, 운행차 검사 및 대용량 내압용기 시험평가 등 안전성을 확인할 수 있는 평가기술과 장비개발이 불가피하며 시급한 실정이다.  


수소차 국제기준의 경우 UN GTR 13으로 제정되어 운행 및 사고 시 안전성 등을 확보하기 위한 최소한의 안전기준이 마련되어 있으나, 대형수소차의 안전기준은 마련되어 있지 않아 국제사회에서도 기준 개발에 착수하였다. 한국에서도 적극 대응을 통해 세계 최고 수준의 수소경제 선도 국가로 도약하기 위한 국제 기술 및 정책 선점이 필요하다고 하겠다.
 
국내외 수소버스 정책과 기술 동향
전 세계적으로 온실가스 저감 및 환경 강화를 위한 수소차 보급 지원정책이 마련되어 있으며, 내연기관 자동차 판매 금지제도 또한 검토 중에 있다. 한국에서는 2006년 1세대 수소버스를 처음 생산한 이후, 2009년 2세대, 2017년 3세대(700bar) 수소버스를 생산하였으며, 정부의 수소경제 로드맵에 따라 2022년까지 총 2,000대의 수소버스를 국내에 공급할 예정이다. 2020년 현재 울산(3대), 부산(5대), 광주(6대), 창원(5대), 경찰청(2대)의 저상수소버스가 보급되어 운행되고 있다. 


일본은 수소사회 실현을 위한 3단계 로드맵을 발표하고 수소 부문의 청정연료화 촉진을 위한 대중교통 보급 확대 계획을 제시하였다(가격 80% 보조, 국가 50%+지자체 30%). 중국도 수소전기차 발전 로드맵을 발표하고 2022년 베이징 올림픽을 계기로 수소전기차 시대 개막을 추진(수소버스 200여 대 운행 계획)하고 있으며, 신에너지차 의무 판매제도 도입 계획을 발표하였다(전기차 보조금 제외 예정, 수소버스 50만 위안 지원). 


미국은 캘리포니아 주를 중심으로 수소산업 인프라 구축 및 수소버스 실증사업을 진행 중이며 무공해차 의무판매제도(ZEV)를 강화하고 있다. 유럽은 EU 및 각 나라별 수소전기차·충전인프라 보급정책을 병행하고 있으며, 내연기관차 판매 금지 검토, 친환경차 구매 시 소비자 지원 등과 함께 유럽 200개 주요도시 Low EM Zone(LEZ) 시행으로 디젤 차량의 도심 진입을 제한하고 있다. 


수소버스 기술 현황을 보면, 한국과 일본이 700bar 내압용기를 장착한 수소버스를 개발했고 유럽, 중국 및 미국의 경우 350bar 수소버스가 시범 운행되고 있어 우리나라가 기술 우위를 바탕으로 기술선도 등을 통한 기술수출 가능성이 내재되어 있다고 하겠다. 한국을 포함한 미국, 일본, 유럽에서 700bar Type4(플라스틱 라이너+탄소섬유) 용기가 개발되어 있으며, 수소내압용기의 핵심부품인 온도감응식 압력방출밸브(TPRD)는 일본과 독일, 미국에서 개발하였고 한국도 국산화를 진행 중에 있다. 




수소내압용기와 부품 관련 국내 인증기관은 한국가스안전공사 에너지안전실증연구센터가 있다. 국내 자동차용 내압용기 안전기준 관련 시험이 가능하지만 국제기준(UN R 13) 관련 시험평가는 불가능한 실정이다. 해외 인증센터는 독일, 일본, 캐나다에 있으며 국제기준(UN R 13)등 해외 각국의 인증시험에 필요한 모든 시험장비를 갖추고 있다. 국내 제작사는 부득이하게 수출을 위해 해외 인증기관에서 시험을 수행하고 있는 실정이다. 


수소전기차 국제기준은 UN GTR 13으로 UNECE/WP29의 1998협정으로 2013년 제정되었으며, 2014년 국내 자동차 안전기준으로 도입되었다. UN GTR 13은 수소연료전지자동차 기술개발 초기단계에서 제정되어, 그동안의 기술개발과 운행 경험 등을 바탕으로 차종 범위 확대 등의  개정 사유가 발생함에 따라 한국, 미국, 일본, 유럽공동체 주도로 수소연료전지자동차 GTR 2단계 개발을 요청하였으며, WP.29 총회 승인(’17.3.)을 받아 2017년 10월부터 국제 전문가 기술회의를 통한 UN GTR 13 2단계 개정작업에 들어갔다. 


충돌 시험방법 조화, 연료시스템 재료 수용성, 연료탱크 파손·파열 및 대형수소차 적용 대상 확대 등의 안건으로 의장(미국), 공동의장(일본), 부의장(한국), 공동부의장(중국), 서기(국제자동차제조사기구)의 의장단 체제로 추진 중이며, 2020년 말까지 UN R 13 2단계 개정(안) 도출이 목표이다. 현재까지 총 7회에 걸친 국제회의가 진행되었으나 최근 전 세계적인 코로나 확산으로 국제회의가 지연되고 있어 UN R 13 개정(안) 도출 또한 연기될 예정이다.
 
총 4개 부문 세부 연구 과제
‘수소버스 안전성 평가기술 및 장비개발 과제’는 국토교통부를 주무기관으로 국토교통과학기술진흥원이 지원하는 연구단 단위의 국가 연구개발(R&D) 과제로, 총 사업비 319억 원(정부 278억 원, 민간 41억 원)이 투입된다. 한국교통안전공단 자동차안전연구원이 주관연구기관으로 과제를 총괄하며 한국가스안전공사, 한국교통연구원 등 17개 기관이 참여하여 공동으로 연구를 진행한다. 


총 연구 기간은 3년 9개월로 올해 4월부터 시작해 2023년 12월까지 진행된다. 연구비는 정부출연금 총 278억5,200만 원이며 1차년도(2020년 4~12월) 예산은 57억6,300만 원이다.


과제의 목표는 정부의 수소경제 활성화 로드맵에 따라 빠르게 보급될 수소버스의 운행 또는 사고 시 수소누출 최소화로 2차사고(화재 및 폭발 등)를 예방하고, 다 동력원 병렬 구동시스템(대용량 배터리, 연료전지모듈에서 전기를 병렬로 공급받는 모터 시스템)의 성능 검증을 위한 수소버스의 차량 및 부품(대용량 수소내압용기, 용기에 장착된 밸브) 단위 안전성 평가기술 장비개발과 안전기준의 제·개정 및 국제화 추진이다.  





세부 연구 과제는 크게 4부문으로 나뉜다.


1세부 ‘수소버스 충돌안전성 평가기술 개발 및 수소버스 기준 법제화’에서는 수소버스 운행 모니터링 정보수집분석을 통한 수소버스 충돌안전성 평가기술 마련과 법제화 및 국제기준 제안을 통한 수소버스 기술선도를 추진한다.


2세부 ‘수소버스 구동시스템 성능 평가기술 및 장비개발’에서는 수소버스의 다 동력원 병렬형 구동시스템의 출력을 측정할 수 있는 성능 평가기술과 시험장비 개발을 추진하며, 3세부 ‘수소버스 운행차 안전성 검사기술 및 장비개발’에서는 수소버스 운행차 내압용기, 연료전지 스택의 운행 안전성 검사기술 및 장비개발을 추진한다.


마지막 4세부 ‘수소부품 안전성 평가기술 및 부품 평가장비 개발’에서는 대용량 내압용기와 부품에 대한 최적화 평가기술 및 국제기준 평가용 장비개발을 추진한다. 


연차별로 보면 1차년도에는 수소버스의 원활한 도입을 목적으로 하는 안전성 평가기술 개발을 위한 자료수집·분석 및 평가장비 설계와 수소버스 안전성 검증이 시급한 평가기술(수소차량 전복시험 및 화재평가기술 등), 평가장비(수소 부품 안전기준 국제화 평가장비)를 우선 개발할 예정이다. 


2차년도에는 대표 사고 평가시나리오에 따른 해석·실차 평가 등 시험평가방법 연구, 운행차 검사제도의 원활한 시행을 위한 검사평가기술(수소투과량 및 방출량 검사) 및 평가·검사장비의 단계적 개발(시제품 제작)에 들어간다.


3차년도에는 수소버스 안전성 글로벌 선도를 위한 구동시스템 출력시험 및 대용량 수소내압용기 해석·실차 평가 등을 통한 최적화 평가·기술(수소버스 출력평가기술, 수소부품 평가기술) 개발 및 평가장비를 개발하고, 4차년도에 차세대 신규 검사평가기술(비파괴검사) 개발과 개발된 평가기술 및 장비 검증과 평가장비 매뉴얼 마련 등 표준화, 안전기준 법제화, 국제화를 추진할 예정이다.




연구 과제를 통한 최종 성과물로는 평가·검사기술 9건, 국제화 제안 4건을 도출할 예정이다. 여기에는 △수소버스 실차 전복시험 세부평가기술 및 해석 검증기술 △수소버스 충돌 시 연료장치 안전성 평가기술(국제화 제안) △수소버스 장착 내압용기 투과량 검사기술 △수소버스 수소배기 배출량 검사기술 △수소버스 구동시스템 출력 평가기술(국제화 제안) △수소 대용량 내압용기 화재평가기술(국제화 제안) △대용량 CHSS 유압 반복시험 세부평가기술(국제화 제안) △대용량 CHSS 공압 축소시제 세부평가기술 △수소버스 내압용기 비파괴 검사기술이 포함된다.


아울러 평가·검사장비 19종이 개발될 예정이며 세부적인 내역은 다음과 같다. △수소 대용량 내압용기 화재 평가장비 △수소버스 연료장치 투과량 검사장비 △수소버스 수소배기 배출량 검사장비 △수소버스 구동시스템 통합성능 평가장비 △수소부품 안전기준 국제화 평가장비(7종: PRD 성능평가시험장비, 냉각수소 성능평가시험장비, 고압부품 수소반복시험장비, 고압부품 수소누출 시험장비, PRD 온도사이클 시험장비, Chattering 시험장비, 대형진동장비) △수소버스 대용량 CHSS 대응 국제기준 평가장비 개발(8종: 대형수압 파열시험장비, 대용량 저온평가장비, 대용량 고온평가장비, 대형용기 낙하시험장비, 수소가스 반복가압장비, 내압방폭형 수소극한온도 반복시험장비, 대형가스 투과성 시험장비, 대용량 대형 수압반복 장비)이 여기에 든다.
  
연구 결과의 활용 방안
이번 과제는 정부의 수소산업 활성화와 대중교통 수단 보급 확대에 목적이 있다. 또 안전한 수소버스의 보급과 운행 환경 조성을 위해 사고 시 화재나 수소연료 누출 등의 위험을 최소화할 수 있는 수소버스 및 수소부품 단위의 평가·검사 관련 기준 제·개정 등 제도화에 활용될 예정이다.


이를 통해 자동차 제작사와 수소부품 업체에 안전도 평가체계 가이드라인을 제공하고, 수소버스 운행 보급의 정책개선 방안을 제시하며, 안전이 확보되지 않은 저가 수입 수소버스의 유입을 차단하고 친환경차 판매 권장을 위한 정책적 제도방안을 마련하는 등 다방면에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 


본 연구를 통해 개발된 평가기술과 장비를 활용하여 수소버스 외에 개발 중이거나 개발 예정인 다양한 고상 수소버스, 중형수소버스, 수소승용차 및 수소트럭 등의 안전성 확인을 위한 시험·성능 검증 활용은 물론 향후 수소연료전지로 구동되는 건설기계, 열차, 선박 등으로 적용 범위를 확대하여 국가 수소경제 모빌리티 확장성 기반 구축에 기여할 것으로 전망된다.


현재 개정을 추진 중인 수소자동차 관련 국제기준(GTR 13)에 본 과제의 연구 결과를 반영하도록 제안해 수소 강국으로서 국제 위상을 제고하고, 국제자동차검사위원회(CITA)에 운행 수소자동차의 검사기술과 검사방법을 홍보하여 국제적으로 운행 수소자동차 검사의 기술적 우위를 선점하며, 새로 개발한 기술을 국내외 컨퍼런스와 기구에 소개하여 국내 산업계나 학계 등의 발전과 연계해 수소업계가 성장하는 기반을 마련할 방침이다.  





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