1. 서 론
2. 수소차 누출해석모델
2.1 수소차 수소 누출조건
2.2 누출 해석모델
3. 농도해석결과
3.1 가연영역 및 확산길이 분석(터널 내 풍속 0 m/s)
3.2 가연영역 및 확산길이에 대한 분석(터널 내 풍속 ≥ 1.0 m/s)
4. 결 론
1. 서 론
화석연료의 고갈 및 환경오염의 문제를 개선하기 위한 차세대 에너지로서 수소에너지가 부각되고 있다. 이에 따라 자동차 산업에서도 친환경 자동차로서 전기차보다 높은 에너지 효율과 짧은 충전속도의 장점을 갖는 수소 연료 전지차(이하, 수소차)가 개발되어 출시되고 있다(Han et al., 2019). 그러나 수소는 가연하한농도(Lower flammability limit, LFL)가 4%, 가연상한농도(Upper flammability limit, UFL)가 75%로 가연농도영역이 매우 넓고 점화에너지가 0.011~0.017 mJ로 아주 작기 때문에 스파크 등 작은 점화에너지에 의해서 발화할 가능성이 매우 높다는 특성을 갖고 있다. 이에 수소는 위험성이 높은 물질로 주목받고 있기 때문에 수소차의 안전에 대한 우려가 높은 실정이며, 특히, 터널과 지하차도와 같은 반밀폐공간에서 수소차 사고로 인해 수소 화재나 폭발 등 대형사고를 유발할 가능성이 높은 것으로 평가되어 이들 공간에서 수소차의 화재 및 폭발에 따른 안전에 관한 연구가 많은 연구자에 의해서 진행되고 있다(Lee et al., 2021; Ryu and Lee, 2021; Ryu et al., 2021).
지하주차장이나 터널과 같이 밀폐된 공간이나 반밀폐공간에서 수소가 누출되는 경우, 터널 풍속에 따라 제트화염(Jet fire) 또는 일반화재(Fresh fire)로 발전할 가능성이 있으며, 지연점화되는 경우에는 가연성 구름이 형성되어 폭발적인 화재(Vapor cloud explosion, VCE)를 초래할 가능성이 높은 것으로 보고되고 있다. 가연성 구름의 형성은 누출량 및 공간의 환기상태에 영향을 받는 것으로 알려져 있으며, 누출시나리오를 작성하고 수치해석적인 방법에 의해서 수소농도를 분석하여 가연농도 이상의 영역의 존재여부에 따라 위험성을 평가하고 있다(Sandia National Laboratories, 2017; 2020).
수소누출에 대한 위험평가에 관한 연구로 Ehrhart et al. (2019)은 터널 내 수소차 충돌사고 시 사고시나리오를 사건수목(Event Tree)기법을 통해 제시하고 있으며, 전술한 것과 같이 수소의 누출 시 즉시점화는 제트화염으로 지연점화는 폭발적인 화재로 발전할 가능성이 높은 것으로 보고하고 있다. 또한, 제시된 시나리오에 대한 분석 결과, 충돌 사고 시 화재로 발전할 가능성은 30%정도이며, 이 경우, 추가적인 누출사고의 확률은 10% 이하로 낮으나 화재로 인해 온도감응식 압력누출장치(Thermally activated Pressure Relief Device, 이하 TPRD)가 가동하여 제트화염이 발생할 확률은 약 0.6%, 폭발적인 화재로 발전할 확률은 0.013%정도로 분석되었다.
Li et al. (2015)은 바람이 불지 않는 야외 주차장에서 171 L의 수소탱크에서 오리피스를 통해 수소가 누출되는 경우, 가연하한농도를 기준으로 가연가능거리를 평가하고 있으며, 압력이 35 MPa의 경우에는 10 m, 70 MPa의 경우 12 m 직경이 4.2 mm인 TPRD로 제시하고 있다. Shen et al. (2021)은 CFD해석 프로그램인 FLACS (Flame Acceleration Simulator)을 이용하여 실외 주차장에서 초기압력이 70 MPa인 수소탱크의 TPRD를 통해 수소가 누출하는 경우, TPRD의 직경을 2, 3, 4 mm로 하여 가연영역에 대한 해석을 수행하였으며 그 결과, 가연성 구름이 차량주변의 모든 영역에서 관찰되고 있으며, 주차 시 차량간격이 충분한 안전성을 확보하지 못하고 있는 것으로 보고하고 있다. 또한, Choi et al. (2011)은 지하주차장 내에서 수소차의 수소누출 시 가연영역을 환기팬의 풍량 변화 및 누출량에 따라 수치해석적인 방법으로 고찰하였으며, 환기풍량이 증가하면 가연영역의 비가 급격하게 감소하며, 일정시간이 경과하면 정상상태에 도달하는 것으로 분석하고 있다.
터널에서 수소차량의 수소누출 시 가연영역에 대한 연구로 Ahn et al. (2010)은 종류환기방식의 터널에서 환기풍량 및 수소누출량이 가연영역의 분포에 미치는 영향을 수치해석적인 방법으로 고찰하고 있으며, 가연영역은 기류의 방향으로 길게 분포하며 누출유량이 증가함에 따라 가연영역이 확산되는 것으로 확인하고 있다. 또한 Choi et al. (2012)은 횡류환기방식의 터널에서는 급기 ‧ 배기방식에 따른 영향이 있으며, 급기방식이 가연영역을 감소하는데 효과적인 것으로 보고하고 있다.
전술한 바에 따르면 주차장 및 터널과 같은 반밀폐공간에서 수소누출에 따른 수소의 확산농도를 수치해석적인 방법을 통해 해석하여 가연영역을 분석하여 화재 및 폭발적인 화재의 가능성을 검토하고 있으며, 가연영역은 수소의 누출량 및 환기량에 영향을 받는 것으로 검토되고 있다.
따라서 터널에서 수소차의 수소 누출량은 누출공의 크기나 TPRD의 오리피스 직경에 의존하며, 터널은 교통환기력이 작용하여 상시 환기풍이 존재하기 때문에 이에 대한 검토가 필요하다. 이에 본 연구에서는 도로터널에서 현재 운행 중인 H사의 N차량에서 수소가 누출되는 경우, 국내 도로터널의 표준단면을 모델터널로 하여 TPRD의 오리피스 직경 및 크랙의 크기에 따른 누출량과 터널 내 풍속을 변수로 하여 수소농도를 해석하고 가연영역을 분석하여 화재발생 가능성을 검토하였다.
2. 수소차 누출해석모델
2.1 수소차 수소 누출조건
GTR13 (Global Technical Regulation No. 13, 2013)에서는 차량 사고 시 연료의 누출량이 30 g/min (가솔린 기준)을 초과하지 않도록 규정하고 있다. 이에 수소차량도 이 기준을 근거로 수소 누출량을 제한하고 있으며, 이를 수소의 발열량을 고려하여 수소의 누출량을 계산하면 10.9 g/min (118 NL/min; Normal air liter per minute)으로 아주 작은 량이다. 따라서 GTR13에서 정하는 기준 이하의 누출이 발생하는 경우에 수소의 폭발 및 화재는 그 영향이 아주 작은 것으로 분석된다. 그러나 수소차량이 추돌 또는 충돌에 의해서 수소탱크의 파열 및 수소공급라인의 파손 등에 의해 누출이 발생하는 경우, 고압의 수소를 적재하고 있기 때문에 누출량이 증대할 가능성이 매우 높다.
수소차량에서 수소의 누출량은 탱크의 압력 및 누출공(Leakage hole)의 크기에 영향을 받으며, 시간이 경과하면 탱크의 압력이 저하하고 누출량이 감소하게 된다. 이에 본 연구에서는 TPRD의 오리피스직경 및 누출공의 크기에 따른 누출량을 FCH2 Education (2022)에서 제공하는 프로그램을 사용하여 구하였다. 수소탱크에서 누출량은 단열조건과 등온조건의 모델을 적용하여 구하고 있으며, 일반적으로 누출시간이 길지 않고 연료탱크가 단열이 잘 되어있기 때문에 단열조건으로 가정하여 누출량을 구한다.
또한 본 연구의 대상 차량인 H사의 N차량은 최대 충전량이 52.2리터인 3개의 탱크를 뒷좌석 하부에 장착하고 있으며, 최대 충전 시 수소탱크의 압력은 70 MPa이다. 또한 각 수소탱크에는 오리피스직경이 1.8 mm인 TPRD가 설치되어 있다.
Fig. 1(a)는 TPRD의 오리피스 직경이 1.0~4.0 mm인 경우에 시간경과에 따른 누출량(kg/s)과 누적누출량(Total leakage mass flow; kg)을 나타낸 것이다.
오리피스 직경이 1 mm인 경우에 누출량(kg/s)은 비교적 완만하게 감소하는 경향을 보이고 있으나, 2.25 mm 이상에서는 초기에 급격하게 누출되며, 일정시간이 경과한 후에는 완만해 지는 것으로 나타나고 있다. 오리피스 직경별 초기 최대유량은 0.0268 kg/s (OD = 1.0 mm), 0.0868 (OD = 1.8 mm), 0.1357 (OD = 2.25), 0.2412 (OD = 3.0 mm), 0.4289 (OD = 4.0 mm)로 분석되며, 이는 GTR13에서 정하고 있는 누출량 0.182 g/s보다 상당히 큰 값이다.
Fig. 1(b)는 사고의 충돌 등으로 크랙이 발생하는 경우에 수소가스 누출량을 나타낸 것으로 크랙의 등가직경은 5, 10, 20 mm인 경우이다. 이 경우에는 아주 짧은 시간에 수소가스의 누출이 완료되는 것을 알 수 있다. 특히, 누출직경이 10 mm 이상인 경우에는 아주 급격하게 누출되며, 탱크의 용량의 90%까지 누출되는데 소요되는 시간은 2.2초(10 mm), 0.4초(20 mm)로 분석되었다.
Fig. 2는 누출직경에 따라 탱크 내 90%의 수소가 누출되는 시간을 나타낸 것이다. 오리피스 직경(; mm)이 증가하면 누출시간(; Seconds)은 식 (1)에 보인 바와 같이 지수감소한다. 누출시간은 일반적으로 알려진 TPRD직경이 2.25 mm 이하인 경우에는 47.8초 이상, 비교적 대형 크랙으로 볼 수 있는 오리피스 직경이 5 mm인 경우에는 10초 이내로 나타나고 있다.
본 연구에서 수소차의 누출조건은 현재 N차량에 적용된 것으로 알려진 오리피스 직경이 1.8 mm인 TPRD가 작동하여 누출하는 3개의 조건과 등가직경이 10 mm인 크랙이 발생하는 누출하는 조건으로 가정하였다. 누출조건을 정리하면 Table 1과 같으며, 누출조건 1은 1개의 수소저장탱크의 TPRD가 누출하는 경우, 누출조건 2는 3개의 수소저장탱크가 동시에 누출하는 경우, 누출조건 3은 3개의 수소저장탱크의 TPRD가 10초 간격으로 누출되는 경우, 누출조건 4는 10 mm의 크랙이 발생하여 누출하는 경우이다. 시간경과에 따른 누출량 프로파일은 Fig. 3에 나타낸 바와 같다.
Table 1.
Leakage condition
| No. | No. tank (EA) | Leak diameter size (mm) | Maximum leakage flow rate (kg/s) | Leak time (s) |
| 1 | 1 | 1.8 | 0.0863 | 74.8 |
| 2 | 3 | 1.8 | 0.2588 | 73.8 |
| 3 | 3 | 1.8 | 0.1686 | 84.6 |
| 4 | 1 | 10.0 | 2.6622 | 2.2 |
2.2 누출 해석모델
수소누출에 따른 터널 내 수소확산해석은 상용CFD프로그램인 Fluent를 사용하여 비정상상태로 해석하였다.
해석모델의 터널단면형상은 2차선 표준터널(단면적: 73.5 m2, 높이: 7.3 m, 폭: 12.2 m)이며, 터널의 총 길이는 500 m로 하였다. 수소차의 TPRD는 차량의 후미부(입구로부터 145.7 m지점)에 지면으로 부터 0.3 m높이에 위치하였다(Fig. 4(b) 참조). 해석격자의 크기는 누출구 및 차량에 근접한 영역은 Fig. 4(b)에 나타낸 바와 같이 0.025 m × 0.025 m로 하였으며, 차량에서 10 m 이상 이격한 지역은 Fig. 4(a)와 같이 0.5 m × 0.5 m로 하였다.
터널 내 풍속조건은 0.0, 1.0, 2.5, 4.0 m/s로 하였으며, 터널입구 경계조건은 velocity inlet조건으로 하여 터널풍속이 일정하게 유지되도록 하였다. 해석모델의 누출구는 0.1 m × 0.1 m 크기로 하였으며, mass flow inlet 조건으로 하고 누출조건별로 시간에 따른 누출량 프로파일을 작성하여 적용하였다.
3. 농도해석결과
Fig. 5(a)는 누출량이 가장 많은 누출조건 2의 경우에 수소농도가 가연하한농도(Vol. 4%) 이상인 영역(이하 가연영역)이 시간경과에 따라 확산되는 양상을 나타낸 것이다. 터널 내 풍속은 0.0 m/s인 경우로 도로면으로 하향누출된 수소는 도로표면을 따라 약 5 m정도 흐르다가 부력에 의해서 상승하여 천정부에 도달하며, 10초 이후에는 성층화를 유지하면서 터널의 천정면을 따라 양방향으로 지속적으로 흐르는 경향을 보이는 것으로 나타났다.
Fig. 5(b)는 누출조건 2일 때 터널 내 풍속이 1.0 m/s인 경우로 바닥으로 누출된 수소는 5 m정도 도로면을 따라 확산된 후에 부력에 의해 상승하여 약 15초 정도에 천정에 도달하고 있다. 가연영역의 체적은 약 40초 정도에서 최대가 된 후에 급격하게 감소하는 경향을 보이고 있다. Fig. 5(c)는 직경이 10 mm의 크랙이 발생하여 약 2.5초 만에 수소가 완전 방출되는 조건(누출조건 4)으로 터널 내 풍속이 1.0 m/s인 경우이다. 그림에서 가연영역은 도로표면을 따라 확산되며 1초 정도에 터널의 전체 폭으로 확산되고 길이방향으로는 약 12 m 이상 확산되는 것으로 나타나고 있으며, 약 3초에 가연영역의 체적이 최대가 된 후에 점차 감소하나, 차량의 바닥 및 측면에 잔류하는 수소는 상당히 긴 시간 동안 존재하는 것으로 나타나고 있다. 이 경우, 후술하는 바와 시간경과에 따른 가연영역의 변화는 풍속이 증가하여도 거의 동일한 경향을 보이고 있다.
3.1 가연영역 및 확산길이 분석(터널 내 풍속 0 m/s)
Fig. 6은 터널 내 풍속이 0 m/s인 경우에 누출조건별로 가연영역(a)과 가연영역의 확산길이(b)를 나타낸 것이다.
가연영역은 누출조건 1의 경우에는 약 15초 까지 증가하여, 최대치(51.5 m3)에 도달한 후에 감소하는 경향을 보이고 있으며, 약 120초 정도에서 1 m3 이하로 감소한다. 가연영역의 확산길이는 최대 13.1 m (45초)정도로 나타나고 있다. 가연영역은 수소탱크 3개가 모두 누출되는 누출조건 2, 3일 때 가장 증대하며, 약 45~60초 정도에 최대값(약 500~550 m3)에 도달한 후에 감소하며, 200초가 경과한 후에도 100 m3 이상을 유지하는 것으로 나타나고 있다. 또한, 이 경우에 가연영역은 상류측과 하류측으로 거의 동일한 길이로 확산하며 시간경과에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보이고 있다.
누출조건 4의 경우에는 약 3초 정도에 가연영역이 155.7 m3으로 최대가 되며, 이후에 급격하게 감소하여 약 20초에 1 m3 이하로 감소하는 경향을 보이고 있다. 이 경우에 가연영역의 확산길이는 약 10초정도까지는 약 30 m정도이며, 시간이 경과하면 급격하게 감소하나 차량하부에 상당히 긴 시간동안 수소가스가 잔류하는 것으로 나타나고 있다. 이상의 검토에서 터널 내 풍속이 존재하지 않는 상태에서 수소가스가 누출되는 경우, 가연농도 이상의 수소가스 구름이 상당히 긴 시간동안 잔류하기 때문에 점화원에 의해 지연점화되는 경우, 폭발적인 화재가 발생할 가능성이 높은 것으로 판단된다.
3.2 가연영역 및 확산길이에 대한 분석(터널 내 풍속 ≥ 1.0 m/s)
“터널 방재 ‧ 환기시설 설치 및 관리지침(MOLIT, 2021)”에서 환기 시 터널 내 최소풍속을 1.5 m/s로 규정하고 있다. 또한, 터널은 운행차량에 의한 교통환기력 및 자연풍이 상시 작용하기 때문에 터널 내 풍속이 0 m/s로 유지될 가능성은 거의 없다. 이에 본 절에서는 터널 내 풍속이 1.0 m/s 이상인 경우에 대해서 가연영역 및 가연영역의 확산길이에 대해서 검토하였다.
Fig. 7은 터널 내 풍속이 1.0 m/s인 경우에 누출조건에 따른 가연영역 및 가연영역의 확산거리를 나타낸 것이다. 풍속이 0 m/s인 경우와 비교하여 누출조건이 1, 2, 3의 경우에는 가연영역이 현저하게 감소하는 경향을 보이고 있음을 알 수 있다. 가연영역의 확산길이는 누출조건 2, 3의 경우에는 풍속이 0 m/s인 경우에는 지속적으로 증가하나, 풍속이 1.0 m/s인 경우에는 증가하다가 최대값을 보인 후에 급격하게 감소하는 경향을 보이고 있다. 또한 가연영역의 길이는 약 5 m정도까지 감소한 후에 감소율이 둔화되는 경향을 보이고 있는데 이는 기류의 정체영역인 차량의 하부에 수소가스가 잔류하기 때문이다.
Fig. 8은 수소누출량이 가장 많은 누출조건 2의 경우에 풍속에 따른 가연영역 및 가연영역의 확산길이를 나타낸 것이다. 이 경우에도 가연영역은 약 20초 정도에 최대치를 보인 후에 급격하게 감소하며, 풍속이 1 m/s 이상에서는 풍속증가에 따른 가연영역의 감소효과는 비교적 작은 것으로 분석되며, 약 50초 이후에는 풍속에 따른 차이가 거의 없는 것으로 나타나고 있다. 이 경우, 약 150초가 경과하면 가연영역이 1 m3으로 감소하는 것으로 나타나고 있다.
가연영역의 확산길이는 20~30초 정도에 최대값(20~28 m)을 보이고 급격하게 감소하여 약 80초 정도에서는 8 m에 도달하여 이후에는 완만하게 감소하는 것으로 나타나고 있다. 이와 같이 완만한 감소는 전술한 바와 같이 차량하부의 기류정체영역에 잔류가스가 지속적으로 유지되기 때문이다.
Fig. 9는 대형 크랙이 발생하여 급격하게 수소의 누출이 발생하는 경우에 가연영역 및 확산길이를 나타낸 것으로 풍속에 증가에 따른 가연영역 및 확산길이의 차이가 거의 없는 것으로 나타나고 있다. 가연영역은 약 3초에 최대치에 도달한 후에 급격하게 감소하여 약 20초에 1 m3 이하를 유지하는 것으로 나타나고 있다. 가연영역의 확산길이는 약 3초에 40 m로 최대치를 보인 후에 약 13 s에 6 m정도로 급격하게 감소하여 100초 이상 유지되는 것으로 나타나고 있다.
Fig. 10은 터널 풍속에 따라 가연영역의 최대체적을 나타낸 것이다. 전술한 바와 같이 누출조건이 0과 1인 경우에는 풍속에 따른 차이가 거의 없는 것으로 나타나고 있으며, 누출조건 2, 3의 경우에는 풍속이 0 m/s에서 1 m/s 이상으로 증가하면 가연영역 체적이 약 1/3수준으로 현저하게 감소하고 있으나, 이 경우에도 풍속이 1 m/s 이상에서는 풍속증가에 따른 가연영역의 감소효과가 비교적 크지 않은 것으로 분석되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 도로터널에서 수소차의 사고로 인해 수소가 누출되는 경우, 가연성 가스구름에 의한 화재 가능성을 평가하기 위해서 표준단면의 도로터널에서 현재 운행 중인 H사의 N차를 모델로 하여 누출조건(누출조건 1: 하나의 수소탱크의 수소가 TPRD를 통해 누출되는 조건, 누출조건 2 및 3: 3개의 수소탱크의 수소가 TPRD를 통해 통시에 누출되는 조건 및 연속 누출되는 조건, 누출조건 4: 등가직경 10 mm의 크랙을 통해 누출되는 조건)과 터널 내 풍속(0, 1, 2.5, 4 m/s)을 변수로 하여 수소확산에 따른 수소농도를 수치해석적인 방법으로 구하고 가연영역을 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
1. 가연영역은 풍속이 0 m/s인 경우와 비교하여 풍속이 1 m/s 이상인 경우에는 현저하게 감소하는 경향을 보인다.
2. 풍속이 1 m/s 이상인 경우에는 풍속증가에 따른 가연영역의 감소가 비교적 크지 않으며, 대형 크랙이 발생하여 아주 짧은 시간동안에 누출이 종료되는 누출조건 4의 경우에는 풍속이 증가하면 가연영역이 미미한 증가 경향을 보이고 있다.
3. 터널 풍속이 1 m/s 이상인 경우, 가연영역의 체적은 약 10~30초 정도에 최대가 되며, 시간이 경과에 따라 급격히 감소하나, 차량의 하부의 기류정체영역에 가연농도 이상의 잔류가스가 상당히 긴 시간 동안 존재하는 것으로 나타났다.
4. 가연영역의 확산길이는 급격한 누출을 하는 누출조건 4 및 지연누출하는 누출조건 3의 경우에 30~40 m정도로 가장 증가하며, 차량하부의 잔류가스는 120초(누출조건 4)~200초(누출조건 2) 이상 존재하는 것으로 나타났다.
