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[R&D Focus] "수소차 상용화에 따른 지하공간 화재안전 대응 기술"
  • 게시일2021-02-23
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수소차 상용화에 따른 지하공간 화재안전 대응 기술

 

 

▲ 유용호 화재안전연구소 연구위원

 

 

들어가는 말


최근 세계 자동차 시장의 변화는 크게 ‘전기동력’과 ‘자율주행’이라는 2개의 단어로 대별할 수 있다. 이는 EU와 미국 자동차 업계뿐 아니라 국내에서도 단연 핵심단어로 꼽히고 있다. 이는 미래차 산업을 선도함으로써 관련 제조업 및 서비스 산업에서 투자와 고용을 창출하고 이를 국가 성장동력으로 삼고자 하는 선진국들의 전략에 기인하고 있다. 이중 ‘전기동력’은 미국을 제외한 주요 국가들이 파리 기후협정을 지지하고 있어 각자 계획한 에너지 효율 제고 및 공해배출물질 감축 목표 달성을 위해 자동차의 이산화탄소 배출량을 적극적으로 줄이고자 하는 노력과도 일치한다.


이와 더불어 지속해서 증가하는 대도시권 교통 수요 및 환경변화에 대응하기 위한 대규모 지하공간 개발 또한 활발하다. 이는 지상부의 쾌적한 환경 조성과 지속 가능한 발전 대안으로서의 대심도 지하 활용방안이 확대되고 있기 때문이다. 특히, 서울 및 수도권에서 교통 집중과 정체로 인해 연간 약 12.5조원의 경제적 손실이 발생하는 절박한 현실(OECD 서울지역 정책보고서, 2002)과 가까운 미래 서울시 교통 혼잡 비용이 매년 약 5.88%씩 증가하여 2031년에는 약 16조 원의 교통혼잡 비용이 발생할 것(한국교통연구원 국가교통DB센터 통계자료)이라고 예측되고 있어, 국내의 지하공간 활용은 더욱 가속화 될 것으로 예측된다.


이러한 현황에 맞추어 이 글에서는 친환경 자동차의 보급, 특히 수소 경제 활성화에 따른 수소차 보급 확대에 발맞춘 지하공간에서의 안전 대응 기술에 대한 현황을 살펴보고 이에 대한 전망을 논의해보고자 한다.

 

표1-친호나경 자동차의 구분 및 정의

 

 

수소차연료전기차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)의 개요 및 상용화


이산화탄소 배출량 저감 노력은 화석연료 기반의 내연기관 차량에서 친환경 전기동력 차량(Electric Vehicles, EVs)으로의 전환을 의미하며, 각국은 제도개선을 통하여 2030년, 늦어도 2040년까지 내연기관 자동차의 종말을 모색하고 있다. 표 1에서 보는 바와 같이 일반적으로 전기동력 친환경 차량(EVs)은 크게 Battery Electric Vehicle(BEV), Plug-in Hybrid Electric Vehicle(PHEV), Hybrid Electric Vehicles(HEV), Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle(FCEV)로 세분화할 수 있다. 이중 수소연료전기차는 수소를 사용하여 발생시킨 전기에너지를 동력원으로 사용하는 자동차로서 연료전지(Fuel Cell)를 배터리 대신 사용하거나 배터리 또는 수퍼 커패시터와 함께 사용하여 온보드 모터에 전력을 공급하고, 대기 중의 공기를 흡입하여 연료전지에서 산소와 수소의 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시켜 모터를 구동한다. FCEV는 다른 전기 자동차(xEV)와 달리 발전용 연료전지와 축전용 이차전지(배터리)를 함께 사용함에 따라서 이차전지는 소량 축전을 위한 것이므로 작은 용량만이 요구되는 특징이 있다.


국내 수소차 분야는 2013년 세계 최초 수소차 양산에 성공하였으며, 세계 최장 주행거리, 핵심부품 99%(부품수 기준) 국산화를 달성하여 글로벌 경쟁력을 확보하였다. 특히, 수소 공급에 필요한 석유화학 및 플랜트 산업 기반과 경험이 풍부하여 수소 파이프라인, 고순도 수소생산 기술도 보유하고 있으며(연간 약 164만톤, 2019년 1월 기준), 충분한 수소 수요와 경제성을 확보하고 설비증설 및 공정전환 등을 통해서 대규모 부생수소를 공급할 수 있는 능력을 보유하고 있다. 최근 정부에서도 2019년 1월 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표하여 ‘수소차’와 ‘연료전지’를 양대 축으로 수소경제를 선도할 수 있는 산업생태계를 구축하고자 하는 미래 비전을 제시한 바 있다. 또한 그림 1에서 보는 바와 같이 2018년에 889대인 FCEV를 2022년까지 8.1만대(내수 6.5만대), 2040까지 620만대(내수 290만대)까지 확대 계획하고 있으며, 수소버스, 택시 및 상용트럭 등을 보급할 계획을 수립 중이다.

 

그림1-국내 수소차 현황 및 확장 계획

 

 

국내외 지하공간 이용 현황


미래의 신공간 창출을 위한 지하공간 개발의 중요성은 국내외적으로 그 중요성이 부각되고 있으며, 각종 기반시설의 지하화, 미래형 지하 신도시 및 기존 도로의 지하화를 위한 고속지하차도 등이 추진되고 있다. 특히 유럽과 미국 등 선진국에서는 지상의 녹색공간 확보 및 교통체증 문제를 해결하고, 지속가능한 신공간 개발과 녹색 성장을 도모하기 위하여 도심지 대심도 지하도로 건설을 활발히 진행하고 있다. 대표적인 사례로는 미국 보스턴 Big Dig 프로젝트, 일본 동경도 중앙환상 신주쿠선, 프랑스 파리 A86 도시고속 환상선 지하도로 등을 들 수 있다. 우리나라에서도 지난 2009년 수도권 지역의 급증하는 고속도로 교통수요에 적극적으로 대처하고, 기존 도로망에 대한 도로용량을 증대시켜 교통혼잡을 해소하기 위하여 지하고속도로의 건설대안을 수립하였으며, 표 2와 같이 대규모의 다양한 지하도로 사업이 계획·검토되고 있다.

 

표2-국내 계획 중인 지하도로 사업 현황

 

 

지하공간 화재 및 폭발에 의한 위험성


이러한 지하공간의 개발은 화재 시 매우 큰 위험성이 상존하고 있다. 최근 5년간 국내에서 발생한 터널 화재사고는 총 130건(연간 평균 26건)의 사고가 발생한 것으로 보고되고 있다(국가화재통계연보). 특히 달성 2터널에서의 화재사고는 미사일 추진체를 탑재한 차량의 브레이크 라이닝이 과열되어 발생한 화재가 미사일 추진체를 포함하는 나무박스에 옮겨 붙어 연소 확대되고 이로 인한 폭발현상이 발생하여, 터널내부 천정부에 균열폭 0.3∼1.0mm정도의 종방향 균열과 망상균열, 박리, 박락의 피해가 발생하였으며, 포장면에서도 표면박리가 확인되어 매우 큰 위험요인을 보여 주었다.


이렇듯 밀폐공간의 특성을 가지는 터널 및 지하공간에서의 화재는 기존 개방 공간에서의 화재특성과는 달리 급격한 온도 상승과, 산소공급 부족으로 인한 불완전연소의 결과로 다량의 연기가 발생하여 위험을 초래한다. 우선 공간 형태적 측면을 볼 때, 지상과 연결되 출입구 용량이 적고 한정되어 있으며 지상에서 내부의 상황을 파악하기 어려운 단점이 있다. 더우기 비상상태 시 지하 내부에서 자신의 위치나 방향을 인식하기 어려워 적절한 대응에 어려움을 초래할 수 있다. 또한, 화재성상 및 피난측면의 특성은 외기의 공급이 한정되기 때문에 불완전 연소나 훈소상태의 화재가 되어 대량의 연기나 유독가스를 발생시킬 가능성이 큰 문제점을 안고 있다. 또한, 지하공간은 대부분 무창의 밀실구조이므로 정전 등에 의한 방향감각의 상실 등을 포함한 심리적 동요에 따른 패닉 가능성이 높은 위험도를 가진다. 마지막으로 소방활동 측면에서 보면, 소방대가 내부의 상황파악이 불가능하게 될 가능성이 높고, 출입구가 적어 소방대의 진입로가 제약될 가능성이 높기 때문에 소방대가 화염이나 연기의 확산방향(주로 진입로 방향)으로 진입해야만 하는 어려움이 발생한다.

 

그림2-수소차량 화재실험 사진

 

 

반밀폐 지하공간에서의 수소차 누출/화재/폭발 대응 기술


전술한 바와 같이 일반적인 지하공간 화재의 특성에 더하여 수소차(FCEV) 상용화 시대를 준비하는 우리는 수소차량의 운행 및 사고 시 고려해야하는 위험요소에 대한 특별한 대응 방안을 모색해야 하는 시점이다. 일반적으로 수소는 무색/무취/무미/무독성의 기체로 가장 작고 가벼우며, 무게는 공기에 비해 1/14로, 대기 중으로 방출될 경우 20m/s의 빠른 속도로 확산하는 특징이 있다. 최저 점화 에너지가 0.02 MJ로 낮아 일반적인 정전기에서 화재가 발생될 수 있으며, 연소 한계는 4∼75%로 넓은 범위에서 화염이 존재할 수 있어 화재 및 폭발의 위험성도 상존한다. 현재 가장 일반적인 수소차는 고압으로 충전된 700bar 수소탱크가 뒷자석과 차량 트렁크 아래에 2개 혹은 3개가 장착이 되며 각 탱크에서 수소를 연료전지 스택으로 공급하게 되어 사용되는데, 각 수소탱크에는 필수 안전장치인 열반응 압력밸브(Thermally-activated Pressure Relief Device)가 장착되어 이상온도 및 압력이 감지되면 자동으로 밸브가 열려 탱크 내 고압 수소를 외부로 방사하여 탱크내부의 압력을 조절하게 설계되어 있으나 안전장치의 오작동이나 차량사고에 따른 수소탱크 손상 등으로 인해 가스 누출및 제트 화염분출·폭발의 위험이 상존하므로 이에 대한 대응 기술이 필요하다. 이러한 국내외 연구 현황에 발맞추어 최근 소방청에서도 반밀폐 특성을 가지는 지하공간에서 수소차의 직간접적인 화재 시 대응하기 위한 연구의 중요성을 인식하고 관련 R&D를 발주하였으며, 현재 한국건설기술연구원이주관하여 연구를 수행하고 있다. 본 연구에서는 터널이나 지하주차장과 같은 지하공간에서 화재 시 수소차의 화재/폭발의 현장대응력 강화를 위한 소방안전 기술 개발이라는 미래 비젼을 가지고 그림 3과 같이 구성된 연구에 매진하고 있다. 뿐만 아니라, 화재 유형별 화재진압기법 개선을 위한 표준작전 절차 수립 연구, 수소충전소의 형태별 누출 및 화재 위험성 연구등도 동시에 수행함으로써 미래 수소 산업 및 이에 상응하는 안전 기술 개발을 위한 연구 결과를 도출할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

그림3-반밀폐공간(조건별) 내 수소차 가스 누출 및 화재사고 대응 기술 개발

 

 

맺음말


현재 우리는 인류가 당면하고 있는 에너지 문제와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 저탄소 청정에너지원으로서 미래수소사회로의 대비가 절실한 상황이다. 이는 온실가스 저감목표 달성과 함께 화석원료 및 원자력발전을 대체하는 패러다임 변화에 순응이기도 하다. 이러한 미래를 대비하기 위한 패러다임의 변화는 관련 기술의 발전과 함께 사회적 위험을 수용할 수 있는 안전성 확보가 무엇보다 중요하며, 이에 상응하는 정성적, 정량적 위험도 평가와 해석을 기반으로한 안전성 검토가 무엇보다 중요하다고 하겠다

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