[수소신문(2022.08.22)] 류영돈 기술사, 수소충전소 방호벽 설치기준 분석

류영돈 가스안전연구원 에너지안전실증연구센터 부장(공학박사‧가스기술사)
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[수소신문] 정부의 수소승용차, 버스, 택시 등 청정 교통인프라 확대 및 수소경제 활성화 정책에 따라 수소충전소 수가 빠른 속도로 증가하고 있다.

2019년 수소경제 활성화 로드맵에 따르면 정부는 2022년 310개소, 2030년 660개소, 2040년 1200개소의 수소충전소 구축 목표를 설정했다.

그러나, 2019년 5월 23일 발생한 강릉과학단지 수소탱크 폭발사고로 8명의 인명피해가 발생(사망 2명, 부상 6명)하고 340억원의 재산피해가 발생, 수소충전소 안전에 대한 우려가 커지고 충전소를 위험 기피시설로 인식하기도 했다.

수소자동차 충전소의 안전기준은 ‘고압가스 안전관리법 시행규칙’ 별표 5에서 규정하고 있으며, 제조식 수소차 충전기준과 저장식 수소차 충전기준으로 구분해 규정하고 있다.

‘제조식 수소차 충전소’는 수소를 제조·압축해 자동차에 충전하는 충전소이며, ‘저장식 수소차 충전소’는 배관 또는 저장설비로부터 공급받은 수소를 압축, 자동차에 충전하는 자동차충전소를 말한다.

수소차 충전과 관련한 상세기준(KGS Code)은 KGS FP216(제조식 수소자동차 충전의 시설·기술‧검사 기준)과 KGS FP217(저장식 수소자동차 충전의 시설‧기술‧검사 기준)에서 규정하고 있다. 또한 정부에서는 국내 수소충전소 보급 활성화를 위해 기존 LPG충전소, CNG충전소 및 주유소와 연계한 수소 융복합 충전소 특례기준을 마련, 운용하고 있다.


즉, 기존 도시가스·LPG충전소, 주유소 등에 수소충전소 병행 설치 및 패키지형 수소차 충전소 설치를 허용했으며, 산업통상자원부 고시 제2018-179호(‘18.10.1; ’융·복합, 패키지형 및 이동식 자동차충전소 시설기준 등에 관한 특례기준‘)를 마련, 고정식 충전소 보급의 한계(넓은 부지면적, 고비용)를 극복하고 보급 초기 단계에 적합한 이동식 수소차 충전소 기준을 마련했다.

특례기준에 따른 ’융합충전소‘란 고정식 CNG 자동차충전소, LNG 자동차충전소, LPG 자동차충전소 또는 기존 주유취급소와 제조식 수소차 충전소를 하나의 사업소 내 설치‧운영하는 것을 말하며, ’복합충전소‘란 고정식 CNG 자동차충전소, LNG 자동차충전소, LPG 자동차충전소 또는 기존 주유취급소와 저장식 수소차 충전소 또는 다른 에너지원의 자동차충전소를 하나의 사업소 내 설치‧운영하는 것을 말한다.

여기에서는 수소차 충전소에 설치하는 방호벽의 종류, 방호벽 설치대상 및 방호벽 설치기준에 대해 알아보고, 현재의 방호벽 기준의 문제점 및 개선이 필요한 사항은 무엇인지 살펴보기로 한다.

방호벽 설치대상, 방호벽 종류 및 설치 방법

1. 방호벽 설치대상
KGS FP216(제조식 수소차 충전시설·기술·검사 기준) 및 KGS FP217(저장식 수소차 충전시설·기술·검사 기준)에서는 ’방호벽(防護壁)‘이란 높이 2m 이상, 두께 12cm 이상의 철근콘크리트 또는 이와 같은 수준 이상의 강도를 가지는 구조의 벽이라고 정의하고 있다.

방호벽 설치대상(또는 설치장소)은 △압축장치와 충전설비사이 △압축가스설비와 충전설비 사이 △처리설비 및 압축가스설비로부터 30m 이내에 보호시설이 있는 경우 △사업소 경계까지 10m 이상의 안전거리를 유지하지 못하는 경우 △저장설비와 충전설비 사이에 8m 이상의 거리를 유지하지 못하는 경우 등으로 규정하고 있다.

2. 방호벽의 종류
KGS FP216(제조식 수소차 충전시설·기술·검사 기준) 및 KGS FP217(저장식 수소차 충전시설·기술·검사 기준)에서는 방호벽을 피해저감 설비의 하나로 규정하고 있으며, 가스폭발에 따른 충격에 견딜 수 있고 한쪽에서 발생하는 위해요소가 다른 쪽으로 전이되는 것을 방지하기 위해 설치하도록 하고 있다.

이 기준에서 규정하고 있는 방호벽의 종류는 철근콘크리트제 방호벽과 콘크리트블럭제 방호벽, 강판제 방호벽 등 3종류가 있다.

3. 방호벽의 설치방법
압축장치와 충전설비사이 및 압축가스설비와 충전설비 사이
압축장치와 충전설비 사이 및 압축가스설비와 충전설비 사이에는 가스폭발에 따른 충격에 견딜 수 있고 한쪽에서 발생하는 위해요소가 다른 쪽으로 전이되는 것을 방지하기 위해 방호벽을 설치하도록 하고 있다.

우선 방호벽의 일부 또는 전부를 고압가스설비 쪽으로 기울어진 구조로 하는 경우에는 <그림 1>과 같이 그 경사도가 90° 미만이 되도록 한다. 이 경우, 기울어진 구조의 방호벽이 고압가스설비(배관등은 제외한다) 상부를 가리지 않도록 한다.

두 번째는 방호벽의 높이가 2m를 초과하거나 방호벽이 기울어진 구조로 그 강도를 확보하기 어려운 경우에는 ‘건축사법’ 제2조 제1호에 따른 건축사 또는 ‘기술사법’ 제5조의 7에 따라 등록한 건축구조기술사의 검토를 통해 적절한 보강조치를 한다.

세번째는 방호벽은 <그림2> 및 <그림3>과 같이 설비 외면으로부터 방호벽 상단 및 양쪽 끝을 지나는 직선이 다른 설비와 만나지 않도록 설치한다. 다만, 설비와 설비 사이의 거리가 30m를 초과하는 경우에는 <그림2> 및 <그림3>에 예시된 방호벽의 높이와 폭을 따르지 않을 수 있다.

철근콘크리트제 방호벽 설치
철근콘크리트제 방호벽은 직경 9mm 이상의 철근을 가로‧세로 400mm 이하의 간격으로 배근하고 모서리 부분의 철근을 확실히 결속한 두께 120mm 이상, 높이 2000mm 이상으로 한다는 기준에 따라 설치한다. 그리고 그 기초는 △일체로 된 철근콘크리트 기초로 한다 △<그림4>와 같이 높이는 350mm 이상, 되메우기 깊이는 300mm 이상으로 한다 △기초의 두께는 방호벽 최하부 두께의 120% 이상으로 한다 등의 기준에 따른다.

콘크리트블럭제 방호벽 설치
콘크리트블럭제 방호벽은 우선 철근을 철근콘크리트제 방호벽과 같이 배근‧결속하고 블럭공동부에는 콘크리트 몰타르를 채운 두께는 150mm 이상, 높이는 2000mm 이상으로 하며, 두께 150mm 이상, 간격 3200mm 이하의 보조벽을 <그림5>와 같이 본체와 직각으로 설치한다. 또한 보조벽은 <그림6>과 같이 방호벽면으로부터 400mm 이상 돌출한 것으로 하고, 그 높이는 방호벽의 높이보다 400mm 이상 아래에 있지 않게 하며, 기초는 일체로 된 철근콘크리트 기초이고, 기초의 높이는 350mm 이상으로 하되, 되메우기 깊이는 300mm 이상으로 한다.

강판제 방호벽 설치
강판제 방호벽은 두께 mm 이상의 강판 또는 두께 mm 이상의 강판에 30mm×30mm 이상의 앵글강을 가로‧세로 400mm 이하의 간격으로 용접 보강한 강판을 1800mm 이하의 간격으로 세운 지주와 용접 결속, 높이 2000mm 이상으로 한다.

또한 앵글강의 보강은 <그림7>과 같이 하며, 지주는 1800mm 이하의 간격으로 하되 벽면과 모서리 및 벽면 양쪽 끝에도 설치한다.

지주와 벽면은 <그림8>과 같이 필렛 용접으로 결속하고, 모서리 부의 지주는 모서리의 안쪽에, 벽부의 지주는 벽면의 바깥쪽(바깥쪽에 설치하기 곤란한 경우에는 안쪽에 설치할 수 있다)에 설치한다.

지주 규격은 <표1> 치수 이상으로 한다. 아울러 기초는 △일체로 된 철근콘크리트 기초로 한다 △높이는 350mm 이상, 되메우기 깊이는 300mm 이상으로 한다 △지주는 <그림9>의 보기와 같이 기초에 400mm 이상의 깊이로 묻거나, M20 이상의 앵커볼트를 사용하여 고정시킨다 등의 기준에 따른다.

처리설비 및 압축가스설비로부터 보호시설과 충분한 거리를 확보하지 못하는 경우
철근콘크리트제 방호벽 설치
처리설비(충전설비는 제외) 및 압축가스설비로부터 30m 이내에 보호시설(사업소 안에 있는 보호시설 및 전용공업지역 안에 있는 보호시설을 제외한다)이 있는 경우에는 처리설비 및 압축가스설비의 주위에 압축장치와 충전설비사이 및 압축가스설비와 충전설비 사이에 따른 방호벽 중 철근콘크리트제 방호벽을 설치한다.

방호벽 설치방법은 <그림10> 및 <그림11>과 같이 처리설비 및 압축가스설비의 외면으로부터 방호벽 상단 및 양쪽 끝을 지나는 직선이 보호시설과 만나지 않도록 설치한다.

처리설비 및 압축가스설비로부터 사업소경계까지의 거리를 확보하지 못하는 경우
처리설비 및 압축가스설비 등은 기준에 따라 그 외면으로부터 사업소 경계까지 10m이상의 안전거리를 유지해야 하지만, 설비 주위에 방호벽을 설치하는 경우에는 5m 이상의 안전거리를 유지할 수 있도록 하고 있다.

기준을 살펴보면, 우선 저장설비, 처리설비, 압축가스설비 및 충전설비는 그 외면으로부터 사업소경계(버스차고지 안에 설치한 경우 차고지경계를 사업소경계로 보며, 사업소경계가 바다‧호수‧하천‧도로 등의 경우에는 그 반대편 끝을 경계로 본다)까지 10m 이상의 안전거리를 유지한다. 다만, 처리설비 및 압축가스설비의 주위에 방호벽을 설치하는 경우에는 5m 이상의 안전거리를 유지할 수 있다.

저장설비와 충전설비 사이에 이격거리를 확보하지 못하는 경우(저장식 충전소에만 해당)
저장식 수소충전소의 저장설비와 충전설비 사이에는 8m 이상의 안전거리를 확보해야 하지만, 방호벽을 설치한 경우에는 안전거리를 유지하지 않아도 된다. 기준은 저장설비와 충전설비 사이에는 8m 이상의 거리를 유지하지만 저장설비와 충전설비 사이에 방호벽을 설치한 경우에는 제외한다.(FP217(저장식 충전소)에만 해당)

기타 가스시설 보호조치가 없는 경우 보호조치로 활용
저장설비는 충전소에 출입하는 자동차의 진‧출입로 이외의 장소에 설치하며, 자동차로 인한 충격 등으로부터 저장설비를 보호할 수 있는 조치를 한다.

다만, 압축장치와 충전설비사이 및 압축가스설비와 충전설비 사이에 따른 방호벽을 설치한 경우에는 자동차로 인한 충격 등으로부터 저장설비를 보호할 수 있는 조치를 하지 않을 수 있다.

처리설비 및 압축가스설비는 충전소에 출입하는 자동차의 진‧출입로 이외의 장소에 설치하며, 자동차로 인한 충격 등으로부터 처리설비 및 압축가스설비를 보호할 수 있는 조치를 한다.

다만, 압축장치와 충전설비사이 및 압축가스설비와 충전설비 사이에 따른 방호벽을 설치한 경우에는 자동차로 인한 충격 등으로부터 처리설비 및 압축가스설비를 보호할 수 있는 조치를 하지 않을 수 있다.

또한 처리설비 및 압축가스설비는 불연재료로 격리된 구조물 안에 설치한다. 다만, 압축장치와 충전설비사이 및 압축가스설비와 충전설비 사이에 따른 방호벽을 설치한 경우 불연재료로 격리된 구조물 안에 설치하지 않을 수 있다.

수소, 압축도시가스, 액화도시가스 및 전기자동차 융‧복합충전소의 경우
수소차 충전시설의 처리설비 및 저장설비와 사업소 경계사이는 설비 외면으로부터 사업소경계까지 규정거리 미만이 되는 범위를 <그림12>와 같이 방호벽으로 차폐한다.

이 경우 설치하는 방호벽은 높이 2m 이상, 두께 12cm 이상의 철근콘크리트 또는 이와 같은 수준 이상의 강도를 가지는 구조의 벽을 말하며, 규정거리는 8m(상용압력이 40MPa이하인 경우에는 6m)를 말한다. 방호벽의 일부 또는 전부를 고압가스 설비 쪽으로 기울어진 구조로 하는 경우에는 <그림13>과 같이 그 경사도가 90도 미만이 되도록 할 것이다.

아울러 고압가스설비를 방호벽에 가깝게 설치하는 경우에는 <그림14>와 같이 45도 이상 90도 이하의 각도로 기울인 덮개로 해당 고압가스설비의 수직 상부를 차폐한다.

다만, 상용압력이 40MPa 이하인 경우로서 설비 외면에서 사업소경계까지 0.26m 이상의 거리를 유지할 경우에는 제외한다. 방호벽의 재료는 불연성으로 하고, 방호벽 높이가 2m를 초과하거나 기울어진 구조로 인해 강도 확보가 어려운 경우에는 보강조치를 할 것이다.

반면, 수소자동차 충전시설의 고압가스설비와 압축도시가스 자동차 충전시설의 고압가스설비 사이에 방호벽을 설치하는 경우 이격거리 기준은 각각 1.8m 이상, 1.5m 이상 제외한다. 이 경우 방호벽은 철근콘크리트제 또는 콘크리트블록제만을 말한다.

방호벽 설치기준 문제점은?
현재 제조식 및 저장식 수소차 충전소 방호벽 기준은 기존 가스3법에서 규정하고 있는 방호벽의 종류와 규격이 같고, 융복합 충전소에 방호벽을 설치하는 경우에는 기존의 이격거리 기준을 완화해 주고 있다.

그런데, 강릉과학단지 수소탱크 폭발사고에서 보는 바와 같이 수소충전소에서 폭발사고가 발생하는 경우 대형사고로 이어질 수 있으므로 현재의 방호벽 기준이 수소폭발 사고에도 견딜 수 있는지를 검토할 필요가 있는 것으로 사료된다.

우선 수소충전소 화재폭발 사고가 발생했을 때 현재 규정하고 있는 3가지 종류의 방호벽 및 기초가 폭발 충격을 견딜 수 있는지 검토가 필요하다.

예를 들어, 현재 최소 12cm의 두께로 설치하도록 규정돼 있는 철근콘크리트제 방호벽이 수소폭발에 견딜 수 있는지, 그리고 콘크리트블럭제 방호벽 및 강판제 방호벽이 수소폭발에도 견딜 수 있는지를 실증시험 등을 통해 기준을 개정할 필요가 있다.

현재 철근콘크리트제 방호벽의 두께는 120mm 이상으로 하고, 강판제 방호벽은 두께 6mm 또는 두께 3mm 이상의 강판에 앵글강으로 용접 보강하도록 규정하고 있는데, 이 두께가 어느 정도의 수소폭발압력을 견딜 수 있는지 실증시험을 하고, 필요시 기준을 강화해야 할 것으로 보인다.

수소충전소 설치 현장 조사자의 의견에 따르면 현재 설치된 대부분의 충전소 방호벽은 철근콘크리트로 돼 있으며 그 두께는 200mm 이상인 것으로 확인되고 있다.

현재 방호벽의 높이를 최소 2m로 규정하고 있는데, 2m 이상의 높이에서 수소폭발이 발생할 경우 충분히 피해를 막거나 감소시킬 수 있는 지 검토가 필요하다.

얼마 전 광주 건설현장에서 타설하던 콘크리트가 무너져 내려 인명피해가 발생한 사고가 발생했다. 철근콘크리트 강도는 방호벽이 충분한 기능을 할 수 있도록 방호벽을 설치할 때 현장에서 레미콘 품질검사를 실시하고, 타설 후에는 압축강도 시험 등을 통해 안전을 확보할 필요가 있다.

또한 현장 여건에 따라 방호벽을 사방으로 둘러쳐서 작업자 및 검사원이 출입할 수 있도록 출입문이 설치된 현장도 있다. 방호벽에 설치한 출입문은 충분한 강도를 갖도록 설치해야 하므로 출입문 고정장치 등 이에 대한 설치기준 마련이 필요한 것으로 보인다. 아울러 튜브트레일러 정차 위치와 압축기 사이의 방호벽 기준, 방호벽 높이에 따른 두께 등을 검토할 필요가 있는 것으로 보인다.

정부에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 2021년 5월부터 2025년 4월까지 4년간 약 130억원의 연구개발비를 투자, 한국가스안전공사를 주관으로 ‘수소충전소 화재폭발시 피해저감을 위한 방호벽 설계기술 및 안전기준 개발’이라는 연구를 수행하고 있다.

한국가스안전공사에서는 2차년도인 2022년 2월부터 2022년 12월까지 수소화재폭발 실증시험을 통해 현재의 수소충전소 방호벽 설치기준에 따라 제작한 방호벽이 수소폭발에도 견딜 수 있는지를 평가할 예정이다. 수소 화재폭발 실증시험은 강원도 영월에 위치한 에너지안전실증연구센터 및 전라남도 장성에 위치한 육군공병학교 훈련장에서 실시할 예정이다.

맺음말

지금까지 제조식 및 저장식 수소자동차 충전소에 설치하는 방호벽의 종류, 방호벽 설치대상 및 방호벽 설치기준, 현재의 방호벽 기준의 개선이 필요한 사항은 무엇인지 살펴봤다.

KGS FP216(제조식 수소자동차 충전시설·기술·검사 기준) 및 KGS FP217(저장식 수소자동차 충전시설·기술·검사 기준)에서는 ‘방호벽(防護壁)’이란 높이 2m 이상, 두께 12cm 이상의 철근콘크리트 또는 이와 같은 수준 이상의 강도를 가지는 구조의 벽이라고 정의하고 있으며, 방류둑과 함께 피해저감설비의 하나로 규정하고 있다.

방호벽은 가스폭발에 따른 충격에 견딜 수 있고 한쪽에서 발생하는 위해요소가 다른 쪽으로 전이되는 것을 방지하기 위해 설치하도록 하고 있으며, 방호벽의 종류에는 철근콘크리트제 방호벽, 콘크리트블럭제 방호벽 및 강판제 방호벽이 있다.

방호벽은 △압축장치와 충전설비사이 △압축가스설비와 충전설비 사이 △처리설비 및 압축가스설비로부터 보호시설과 30m의 충분한 거리를 확보하지 못하는 경우 △처리설비 및 압축가스설비로부터 사업소경계까지 10m 이상의 안전거리를 확보하지 못하는 경우 △저장설비와 충전설비 사이에 8m 이상의 이격거리를 확보하지 못하는 경우(저장식 충전소에만 해당) 등에 설치하도록 하고 있다.

또한, 처리설비 및 압축가스설비로부터 보호시설과 30m의 충분한 거리를 확보하지 못하는 경우에 설치하는 방호벽은 철근콘크리제 방호벽만을 허용하고 있다.

아울러, 방호벽을 설치한 경우에는 자동차로 인한 충격 등으로부터 저장설비, 처리설비 및 압축가스설비를 보호할 수 있는 조치를 한 것으로 볼 수 있다. 그리고, 처리설비 및 압축가스설비는 불연재료로 격리된 구조물 안에 설치해야 하지만, 방호벽을 설치한 경우 불연재료로 격리된 구조물 안에 설치한 것으로 볼 수 있다.

제조식 및 저장식 수소차 충전소 방호벽 기준은 기존의 가스 3법에서 규정하고 있는 방호벽의 종류와 규격이 같아서 강릉과학단지 수소탱크 폭발사고와 같은 대형사고 발생 시에도 방호벽이 충분한 기능을 할 수 있는 지 대해 방호벽의 종류, 두께, 높이 및 철근콘트리트 강도 기준 등을 추가로 검토할 필요가 있는 것으로 사료된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 정부에서는 2021년 5월부터 2025년 4월까지 4년간 한국가스안전공사를 주관으로 ‘수소충전소 화재폭발시 피해저감을 위한 방호벽 설계기술 및 안전기준 개발’이라는 연구를 수행하고 있다.

수소 화재폭발 실증시험은 강원도 영월에 위치한 에너지안전실증연구센터 및 전라남도 장성에 위치한 육군공병학교 훈련장에서 실시할 예정이다. 이번 연구를 통해 실효성 있고 안전이 보강된 수소충전소 방호벽 설치기준이 마련될 것으로 기대된다.

출처 : 수소신문(http://www.hydrogennews.co.kr)