2022.05.02 (월)

HOT ISSUE

수소충전 인프라 안전성 높이는 성능평가장치 ‘Hy-PAS’

한국가스안전공사, 3년 간 개발 끝에 Hy-PAS 제작
미국, 캐나다 등 선진기술 집약해 개발
성능평가장치 활용 평가법과 운용기준도 마련
확실한 검증으로 수소충전소 구축 속도 높아질 듯

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[월간수소경제 박상우 기자] 정부는 지난해 11월 김부겸 국무총리 주재로 ‘제4차 수소경제위원회’를 개최했다.

 

정부는 이날 ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’을 심의·의결하고, △그린·블루수소 생산·도입 △수소 유통인프라 확충 △수소발전·모빌리티·수소산업공정 확산 △수소 클러스터·도시·규제특구 육성 △수소안전·기술개발·국제협력 등 15개 과제를 추진한다고 밝혔다. 

 

이 중 수소충전소의 경우 5년간의 법정계획(대기환경보전법)으로 수소충전소 배치계획을 최초 수립하고 국민이 언제 어디서든 편리하게 수소충전소를 이용할 수 있도록 전국 권역별로 인프라를 균형 있게 확대해 나갈 계획이다.

 

세부적으로 2025년까지 전국 226개 시·군·구에 1기 이상의 수소충전소를 구축하고 2030년에는 주요 도시에서 20분 이내, 2040년에는 15분 이내에 수소충전소 이용이 가능하게 한다는 방침이다. 이를 통해 2022년 310개 → 2025년 450개 → 2030년 660개 → 2040년 1,200개 → 2050년 2,000개의 수소충전소를 구축할 계획이다.

 

정부가 이같이 수소경제 활성화를 위해 수소충전소를 대거 구축할 계획임에 따라 수소충전소의 안전성과 성능을 검증할 수 있는 시스템 구축이 필요하다. 수소전기차에 탑재된 수소저장용기의 저장압력은 70MPa이며 70MPa의 충전을 위해서는 공급압력이 최대 87.5MPa의 초고압이 필요하다.

 

 

그런데 적절한 충전방식을 적용하지 않으면 충전시간이 길어지거나 압력상승에 따른 용기파열의 위험이 있다. 또 고압수소를 제어하지 않고 충전하면 용기 내 고압에 의한 온도의 과다 상승으로 용기와 충전시스템이 손상될 수 있다.

 

미국, 일본 등은 수소충전소에 대한 안전성과 신뢰성 확보를 위해 표준 충전방식에 맞춰 수소충전소 성능평가를 하고 있으나 국내는 구성품의 사용범위와 시설기준에 국한돼 인허가를 내줄 뿐 충전 기준과 안전관리 기준, 이를 충족하는지 확인할 수 있는 기술이 미흡하다.

 

이런 가운데 산업통상자원부는 지난 2019년 12월 수소경제 활성화 로드맵을 통해 제시된 수소경제 안전성 확보 방향을 바탕으로 한 ‘수소 전주기 안전관리 종합대책’을 발표했다. 

 

수소생산기지, 충전소 등 수소 인프라 구축이 속도감 있게 진행됨에 따라 이에 대응하는 안전관리 법·제도 마련이 시급한 정책과제로 대두된 데다 지난 2019년 5월 강릉 과학단지 수전해 수소탱크 폭발사고에 이어 6월에는 노르웨이 충전소 화재사고가 발생하면서 국민 안전성 우려를 불식하는 대책이 필요해졌기 때문이다.

 

수소 전주기 안전관리 종합대책은 △전주기 수소안전 글로벌 기준 마련 △국민 밀접형 3대 핵심 수소시설(수소충전소, 수소생산기지, 연료전지시설)에 대한 특별 안전관리 △지속 가능한 안전 생태계의 구축을 주요 과제로 한다. 

 

이 중 수소경제 핵심시설인 수소충전소 안전 강화를 위해 시공단계에서는 한국가스안전공사와 전문가가 입지 여건을 고려한 안전성 평가를 시행해 위험요인에 대한 예방조치를 취하고 평가에 따른 안전조치 사항을 공개한다. 

 

 

또 충전소 운영단계에서는 외관 위주의 정기검사를 첨단장치를 활용하는 정밀안전진단으로 대체·보완하고 이중 모니터링 시스템을 구축하기로 했다. 그 일환으로 한국가스안전공사는 지난해 8월 총 17억 원을 투입해 충북 음성에 있는 본사 1층에 모니터링 상황실을 구축했다. 이를 통해 전국 수소충전소 현황을 운영사의 모니터링 시스템과 함께 이중으로 실시간 감시할 수 있다.

 

산업부는 지난해 7월 수소충전소의 안전성 평가와 정밀안전진단을 도입하기 위해 고압가스 안전관리법 시행규칙 일부개정령(안)을 입법예고했다. 이 개정안은 6개월간의 유예기간을 거쳐 이르면 오는 6월부터 시행될 예정이다.

 

주요 내용은 충전소 중요설비인 압축가스설비의 변경사항에 대한 검사를 강화하고 충전소 안에 사무실, 편의시설 등 보호시설이 있는 경우에도 고압가스설비 주위에 방호벽을 설치하도록 했다. 또 입지여건, 설비배치 등 개별 충전소별 특성에 따른 위험요인을 평가하고 결과에 따라 추가 안전조치를 요구할 수 있는 근거가 마련됐다.

 

선진기술 집약해 만든 Hy-PAS
이와 함께 산업부는 수소충전소의 안전성 평가와 정밀안전진단을 수행하기 위한 장치 개발에 착수했고 해당 과제를 주관한 한국가스안전공사는 지난 3월 한국형 수소충전소 성능평가장치인 Hy-PAS(Hydrogen station-Performance Assessment System)을 선보였다.

 

Hy-PAS는 미국, 캐나다에 이어 세계 3번째로 개발한 수소충전소 성능평가장치로 산업부와 한국에너지기술평가원이 에너지기술개발사업 정부출연금 36억 원을 지원해 2019년부터 올해까지 3년 동안 한국가스안전공사 주관으로 강원테크노파크, 한국자동차연구원, 파콤영상시현, 미래기준연구소, 현대자동차, 한국교통대학교가 공동으로 개발했다.

 

Hy-PAS를 개발한 것은 수소충전 프로토콜의 안전성을 검증하기 위해서다. 수소충전 프로토콜은 수소전기차에 직접 수소를 공급하는 디스펜서에서 공급받는 차량의 상태에 따라 수소충전소에서 보유하고 있는 압축 수소를 차량에 빠르고 안전하게 공급하기 위해 허용된 공급범위 내에서 조절하며 충전하는 것을 말한다.

 

 

2017년 이후 국내에 구축되는 대부분 충전소는 미국 자동차기술협회(SAE)가 지난 2010년에 개발한 SAE J2601 수소충전 프로토콜을 충족하고 있으나 실제로 충전소가 이 공급방식을 잘 따르고 있는지 확인할 방법이 없었다.

 

SAE J2601 수소충전 프로토콜은 가장 합리적인 방식으로 평가받고 있다. 이 프로토콜의 주요 목표는 수소충전소와 수소전기차의 허용온도 범위와 허용압력 범위 그리고 허용유량 범위 내에서 공급하도록 제어하는 것을 목표로 하고 있다. 즉 용기의 파손이나 충전시스템의 손상을 일으키지 않는 범위 내에서 수소를 빠르게 충전하는 것이다.


한국가스안전공사는 미국의 수소충전 프로토콜 평가장치인 Hy-StEP(Hydrogen Station Equipment Performance Device)와 캐나다의 CSA-HDTA(Hydrogen Dispenser Testing Apparatus)의 성능을 분석한 후 SAE J2601 기준을 평가할 수 있도록 사양을 도출해 Hy-PAS를 개발했다.


이동훈 한국가스안전공사 에너지안전실증연구센터 부장은 “Hy-PAS는 전 세계에 있는 평가 방법을 다 합친 것으로 보면 된다”라며 “미국과 캐나다의 평가기술을 다 집어넣어서 평가할 수 있는 항목들도 많고 그에 따른 평가 장치들도 많다”라고 말했다.

 

미국의 샌디아 국립연구소는 캐나다 파워테크(Powertech)와 협업해 2015년 세계 최초로 수소충전소 성능평가장치인 HyStEP을 선보였다. 2017년에는 캐나다표준협회(CSA)가 견인방식으로 업그레이드한 CSA-HDTA를 개발했다.

 

Hy-StEP가 공개된 지 1년 뒤인 2016년 일본의 수소공급이용기술협회(HySUT)는 지난 2012년 SAE J2601 수소충전 프로토콜을 기반으로 표준화한 일본형 프로토콜인 JPEC-S 0003에 대한 검사장치인 JapanHDTA를 개발했다. 이 장치는 견인방식인 미국의 Hy-StEP와 달리 차량에 탑재하는 방식이다.

 

미국과 캐나다의 기술을 집약해서 만들어진 Hy-PAS는 현대차의 2.5톤급 중형트럭인 마이티에 검사장치를 설치하는 방식으로 제작됐다.

 

 

이 Hy-PAS에는 수소충전소의 성능과 안전을 평가할 수 있는 다양한 기법과 장치가 탑재됐다. 또 비상 상황 시 대응을 위한 체험형 VR 교육장치를 개발함과 동시에 충전소의 안전을 확인하기 위한 표준 수소충전소를 지정하고 수소전기차 충전 프로토콜을 이론적으로 모사할 수 있는 기술을 확보했다.

 

승용 수소전기차뿐만 아니라 상용 수소전기차에 대한 평가도 가능하도록 저장용량을 20kg 이상으로 설계했으며 각종 안전장치와 평가 후 수소를 방출할 때 안전하게 유량을 조절해서 방출할 수 있도록 MFC(Mass Flow Controller)를 장착했다.

 

또 초고압의 수소를 저장·방출하는 장치인 만큼 구성된 설비에 대해 위험성 평가와 방폭 관련 자문을 다수 수행해 제작품의 완성도를 높였다.

 

이렇게 설계된 Hy-PAS는 87.5MPa의 초고압 기밀시험과 대기방출 시험 등을 거쳐 안전성을 확인했으며 각종 계측기 등의 사용범위는 SAE J2601에서 사용하는 최대 또는 최소의 온도, 압력을 커버할 수 있는 범위의 제품을 사용했다. 

 

또 모든 부품은 수소방폭이 가능한 제품들로 구성했으며 설비의 안전성을 높이기 위한 긴급차단장치, 과압안전밸브, 수소검지기, 화염검지기 등을 추가 보완해 제작했다.

 

여기에 주행 중에 발생하는 진동이 장치에 영향을 주지 않도록 차량의 서스펜션을 개선하고 실도로 주행 데이터를 통해 진동이 취약한 부분에 방진 댐퍼를 적용하는 등 진동을 줄이기 위한 장치를 대거 적용했다.


이와 함께 최고속도를 80km/h로 제한해 주행으로 인한 충격과 진동을 최소화했으며 주행 안전성을 확보하기 위해 무게중심과 충전을 고려해 평가장치 탑재 위치를 선정했다. 또 충전소 높이에 따라 윙바디를 열지 못하는 경우를 대비해 여닫이문을 적용해 실용성을 높였다.

 


성능평가장치로 평가하는 방법도 개발
이렇게 제작된 Hy-PAS를 활용해 수소충전소를 검사하기 위한 평가방법도 개발했다. 

 

수소충전소의 성능과 안전을 모두 평가하기 위해 SAE J2601의 요구사항 전체와 미국 국립표준협회(ANSI)와 캐나다규격협회(CSA)가 만든 수소연료보급 매개변수 평가를 위한 시험방법인 CSA/ANSI HGV 4.3을 분석했다. 여기에 현대차의 협조를 받아 한국형 수소충전 성능과 안전평가 기법을 개발했다. 


수소충전소의 성능·안전을 평가하는 방법으로는 우선 수소가 수소전기차에 정상적으로 충전되는지 확인하기 위해 성능평가장치를 통해 다양한 초기설정 상태를 설정한 후 SAE J2601 조건에 맞게 충전이 되는지 성능을 확인한다.

 

이후 수소충전소 혹은 수소전기차에 이상 상태가 발생한 상황을 충전소의 적외선 통신을 통해 입력해 수소충전소의 안전 설정이 적절하게 작동하는지 확인하는 방식으로 평가를 수행한다.


수소충전소의 충전방식은 통신 충전과 비통신 충전, 두 가지 방식으로 나눠지기 때문에 각각에 대한 평가 방법을 선정했다.


비통신 충전방식은 수소충전소와 수소전기차 간 통신이 연결되지 않거나 차량의 상태가 확인되지 않을 때 충전하는 방식으로 충전소 디스펜서에 장착된 센서의 값에 의존해 충전하기 때문에 통신 충전방식보다 느린 속도로 충전이 이뤄진다. 평가항목은 충전전 대기온도 조건, 충전중 상한 압력 허용치, 충전전 누출감지 테스트, 충전중 최대 충전률 등 총 22개이다.

 


통신 충전의 경우 SAE J2601에서는 모든 일반충전이 가능한 조건에서 3분 이내 충전량 90% 이상을 만족할 것이라고 예측하고 있다. 평가항목은 비통신 충전방식에 CHSS 최저/최대 온도, 사전 냉각 시험, CHSS 저장용량 등 15개 항목이 추가돼 총 37개다.

 

이 평가항목을 모두 만족한다면 SAE J2601을 만족한다고 할 수 있으며 비상 상황 대응도 적절하다고 판단할 수 있다.

 

한국가스안전공사는 시연 등을 거쳐 필요없는 평가항목과 그에 따른 평가장치들을 제외해 Hy-PAS를 간소화할 계획이다.

 

이동훈 부장은 “예를 들어 완성검사 시 완충할 때는 수소저장용기가 많아야 하는데 정기검사를 할 때는 충전소 장치들의 기능이 제대로 작동하는지만 확인하면 되기 때문에 수소저장용기가 많을 필요가 없다”라며 “향후 굳이 필요 없는 평가항목과 그에 따른 평가장치를 제외해 Hy-PAS를 슬림화하는 작업을 진행할 계획”이라고 설명했다.

 

또 현재 일주일 정도 소요되는 검사기간을 신규 충전소의 경우 최대 3일까지, 운영 중인 충전소는 하루 만에 검사를 완료할 수 있도록 단축할 계획이다.

 

성능평가장치 운용 기준도 마련
이와 함께 산업부는 충전소 안전성능 평가장치와 계량성능 평가장치의 제작과 운용에 필요한 세부사항을 정하는 특례기준인 ‘수소자동차 충전소의 안전성능과 계량성능 평가장치 운용에 관한 특례기준’을 지난 2월에 제정·고시했다.

 

 

한국가스안전공사는 미국과 캐나다의 관련 기술력을 접목해 충전소 안전성능 평가장치인 Hy-PAS를 한국형으로 개발하는 동시에 이번 특례기준을 마련했다. 

 

이번 특례기준에 따라 한국가스안전공사(수소안전전담기관)뿐만 아니라 수소유통전담기관, 계량기 혁신승인기관 또는 검정기관, 국가측정표준 대표기관, 자동차관리법 제8조에 따른 자동차제작자 등 특례기준에서 정한 운용자도 해당 기준에 따라 평가장치를 운용할 수 있다. 

 

특례기준에 따르면 평가장치에 장착된 용기는 검사받아 합격한 것이어야 하며 평가장치 내 피팅, 밸브, 가스충전구 등과 용기는 ‘자동차용 내압용기 안전에 관한 규정’에 따라 설치해야 한다. 다만 △연료공급시스템에 사용되는 부품의 성능인증 기준 △과압방지장치 설치기준 △압력계와 연료계 설치기준에 따라서는 적용하지 아니할 수 있다.


압력조절 실패, 이상반응, 밸브의 막힘 등으로 인한 압력상승이 평가장치 부품의 상용압력을 초과할 우려가 있는 부분에는 과압안전장치를 설치해야 하며 설정압력은 평가장치 부품의 최고 허용 사용압력 이하여야 한다.

 

평가장치에서 누출되는 수소가스가 체류할 우려가 있는 장소에는 수소의 누출을 검지해 경보하고, 그 평가장치의 운전을 자동으로 정지하기 위한 장치와 수소 화염 등에 의한 사고를 예방하기 위해 평가장치에 수소 화염검지기를 설치해야 한다.

 

용기 내 가스압력 또는 가스양을 나타낼 수 있는 압력계와 용기에 충전된 수소가스를 방출하는 경우에는 해당 기준에 적합해야 한다. 평가장치 내 전기설비는 누출된 가스의 점화원이 되는 것을 방지하기 위해 KGS GC101과 KGS GC102에 따라 방폭성능을 갖도록 설치해야 한다. 


평가장치를 운용하려는 자는 그 평가장치를 최초로 사용하기 전에 해당 기준을 충족하는지 한국가스안전공사의 안전성 확인을 1년마다 받아야 한다.

 

 

이 고시는 발령 후의 법령이나 현실여건의 변화 등을 검토해 이 고시의 폐지, 개정 등의 조치를 해야 하는 기한은 2024년 7월 31일까지로 한다.

 

이를 바탕으로 한국가스안전공사는 Hy-PAS를 통해 평가를 진행, 성능기준과 안전기준을 만족할 때만 수소충전소 사업 허가를 내주는 수소충전소 충전 프로토콜 평가를 의무화하는 관련 기준을 올 하반기에 제정할 예정이다.

 

또 수소충전소는 1년마다 정기검사를 해야 하지만 그동안 별도의 검사방법이 없어 이를 수행하기가 어려웠으나 이번에 개발된 Hy-PAS를 이용해 정기검사를 수행할 예정이다.이를 통해 수소충전소 구축 및 성능평가 추진 절차가 진행될 예정이다. 

 

절차는 고압가스 안전관리법 시행규칙 제7조에 따라 신청하면 한국가스안전공사가 기술검토를 거쳐 충전소 구축 승인을 내준다. 이후 고압가스 안전관리법 시행규칙 제8조에 따라 제조사는 충전소를 구축한다.

 

구축이 완료되면 한국가스안전공사는 완성검사를 진행해 고압가스 안전관리법 시행규칙과 KGS FP216, 217을 만족하는지 검증한다. 이와 함께 Hy-PAS를 통해 성능과 안전을 평가한 후 승인이 나면 상업운전을 시작한다.

 

이와 함께 열역학 표준모델과 해석기술을 확보해 추후 변경될 수 있는 수소충전용기에 대해서도 한국형 충전 프로토콜을 선제적으로 개발할 수 있는 기반을 확보할 계획이다. 또 수소자전거, 수소드론 등 다양한 수소모빌리티로 한국형 충전 프로토콜을 확대할 것으로 예상된다.

 

여기에 한국가스안전공사는 정부의 수소충전소 구축 계획에 대응하고자 Hy-PAS를 7대 정도 확보해 권역별로 배치하거나 본사에서 진단을 나가는 방식으로 운영할 예정이다. 이를 위해 대당 3명의 전담 인력이 배치돼야 하는 만큼 정부의 예산지원을 통해 인력 확충과 전담조직 구성이 필요할 것으로 보인다. 

 


확실한 검증이 충전소 구축 속도 높인다
수소충전소를 구축할 때 반드시 넘어야 할 산이 있다. 바로 주민들의 반대다. 주민들은 일련의 사고 때문에 폭발 위험 등을 이유로 충전소 건설을 반대하는 경향이 있다. 

 

실례로 지난 2020년 8월 충북 청주에 있는 도원수소충전소에서 수소누출사고가 발생했다. 충전소 운영을 시작한 지 두 달 만에 발생한 것이다. 조사 결과 미국 CP industries(CPI)사가 제조한 설계압력 100MPa의 수소저장용기에서 수소가 샌 것이다.


이 소식에 도원수소충전소와 같은 설비로 시공된 충북 충주 연수수소충전소, 강원 삼척수소충전소가 사고를 예방하기 위해 가동을 중단했다. 또 도원수소충전소는 사고가 발생한 지 4개월 후인 2020년 12월에 운영을 재개했으나 지난해 6월까지 수소탱크의 절반만 채우는 감압 형식으로 운영됐다.

 

주민들을 설득하기 위해선 충전소의 안전성과 성능을 제대로 검증해야 한다. 충전소의 안전성과 성능을 제대로 검증할 수 있는 시스템이 곧 가동될 예정이다. 안전성을 제대로 검증할 수 있는 이 시스템으로 수소충전소 구축 속도가 빨라질 것으로 예상된다.





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